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JP2001297470A - 光学素子及びこれを用いた光学ヘッド、信号再生方法 - Google Patents

光学素子及びこれを用いた光学ヘッド、信号再生方法

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JP2001297470A
JP2001297470A JP2000118554A JP2000118554A JP2001297470A JP 2001297470 A JP2001297470 A JP 2001297470A JP 2000118554 A JP2000118554 A JP 2000118554A JP 2000118554 A JP2000118554 A JP 2000118554A JP 2001297470 A JP2001297470 A JP 2001297470A
Authority
JP
Japan
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optical
conductive material
optical element
lens
spot
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2000118554A
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English (en)
Inventor
Kenjiro Watanabe
健次郎 渡辺
Hitoshi Tamada
仁志 玉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Priority to KR1020010019916A priority patent/KR100839571B1/ko
Priority to US09/833,640 priority patent/US6934240B2/en
Priority to CNB011196416A priority patent/CN1187742C/zh
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学スポットよりも微小なマークを高速で読
み出し可能とする。 【解決手段】 光軸と略直交するレンズ面に、このレン
ズ面における光学スポットの径より小なる直径若しくは
幅を有する導電材が埋め込まれている。この光学素子
は、光記録媒体に再生光を照射して信号の再生を行う光
学ヘッドに用いる。そして、光学素子に埋め込まれた導
電材と光記録媒体表面の導電材料との電磁相互作用によ
る光の微弱な位相変化を検出することを基本原理とし、
例えば光記録媒体からの戻り光の干渉を利用して信号を
再生する。あるいは、導電材に高周波の電流を流し、光
記録媒体表面の導電体と導電材との相互作用を高周波と
同期した信号を取り出すことにより検出し、光記録媒体
に記録された信号を再生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学スポットより
も微小なマークを検出し得る新規な光学素子に関するも
のであり、さらには光学ヘッドや信号再生方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】光記録の分野においては、高記録密度化
が進められており、これに対応して様々な記録再生方式
が提案されている。
【０００３】例えば、光記録媒体に再生光を照射して信
号の再生を行う光学ヘッドにおいては、ソリッド・イマ
ージョン・レンズ（Solid Immersion Lens：以下、ＳＩ
Ｌと称する。）やソリッド・イマージョン・ミラー（So
lid Immersion Mirror：以下、ＳＩＭと称する。）等を
光学素子として用い、近接場（ニアフィールド）におけ
る滲みだし光を利用して、これまでの光学系を大きく上
回る高ＮＡでの再生を可能とする技術が開発されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一方で、干渉顕微鏡を
用い、その先端に金属針を配置して被検査体表面の形状
を測定する方法が提案されている。
【０００５】この金属針の先端部は１００ｎｍ径程度に
尖らせてあり、その部分が被検査体の表面にわずかにコ
ートされたＣｒと電磁相互作用を起こす。その作用は、
針先とＣｒ表面との距離に依存する。
【０００６】このとき、針先部分に光を集光すると、集
光された光は、先の電磁作用により光の波の位相がずれ
る。その量は１０-8／√Ｈｚのオーダーであるが、針先
と離れた場所の光との位相差干渉効果を用いて検出する
ことが可能である。(F.Zenhausern, M.P.O’Boyle, and
H.K.Wickeramasinghe: Apertureless near-field opti
cal microscope, Appl. Phys. Lett. 65 (13), 2 Septe
mber 1994）(Y.Martin, S.Rshton, and H.K.Wickramasi
nghe: Optical data storage read out at 256Gbits/s
q.in, Appl.Phys.Lett.71 (1), 7 July 1997) 上記の原理を応用すれば、上記ＳＩＬやＳＩＭを越える
解像度での検出が期待されるが、光記録の分野において
は、未だ実用に至っていない。例えば、先の参照文献に
記載の技術では、カンチレバーを常にディスク表面に一
定の距離に近づけるため、カンチレバーの背後から別の
レーザ光を照射し、その動きから電気的なサーボを行い
針先とディスクの距離が数十ｎｍとなるようにコントロ
ールしている。しかしながら、カンチレバーの動きが遅
いため、高速の読み出しができないという欠点がある。
【０００７】本発明は、このような従来の状況に鑑みて
提案されたものであり、上記の原理を光記録の分野に容
易に導入可能とすることを目的とする。
【０００８】具体的には、光学系で集光される光学スポ
ットよりも微小なマークを検出し得る光学素子を提供
し、さらには光学ヘッドや信号再生方法を提供すること
を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の光学素子は、光軸と略直交するレンズ面
に、このレンズ面における光学スポットの径より小なる
直径若しくは幅を有する導電材が埋め込まれていること
を特徴とするものである。
【００１０】また、本発明の光学ヘッドは、スライダに
光学素子が搭載されてなり、光記録媒体に再生光を照射
して信号の再生を行う光学ヘッドにおいて、上記光学素
子は、光軸と略直交するレンズ面に、このレンズ面にお
ける光学スポットの径より小なる直径若しくは幅を有す
る導電材が埋め込まれていることを特徴とするものであ
る。
【００１１】さらに、本発明の信号再生方法は、同一光
源からのレーザ光を分岐して光学素子に入射し、その焦
点平面に２つの光学スポットを形成するとともに、一方
の光学スポットに対応する位置にこの光学スポットの径
より小なる直径若しくは幅を有する導電材を配し、上記
導電材を配した光学スポットを検出光、他方の光学スポ
ットを参照光として、これらの光記録媒体からの戻り光
の干渉を利用して信号を再生することを特徴とするもの
であり、あるいは、レーザ光を光学素子に入射し、その
光学スポット位置に導電材を配するとともに、この導電
材に高周波の電流を流し、光記録媒体表面の導電体と上
記導電材との相互作用を上記高周波と同期した信号を取
り出すことにより検出し、光記録媒体に記録された信号
を再生することを特徴とするものである。
【００１２】本発明は、光学素子に埋め込まれた導電材
と光記録媒体表面の導電材料との電磁相互作用による光
の微弱な位相変化を検出することを基本原理とするもの
である。
【００１３】ここで、上記導電材は、レンズ面における
光学スポットの径より小なる直径若しくは幅を有するも
のであり、したがって、光学スポットよりも微小なマー
クが検出される。
【００１４】また、上記導電材は光学素子に一体的に埋
め込まれており、特に光学ヘッドにおいては繁雑なサー
ボ機構が不要であり、高速読み出しも実現される。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した光学素子
や光学ヘッド、信号再生方法について、図面を参照しな
がら詳細に説明する。
【００１６】図１〜図４は、いずれも半球レンズに導電
体を埋め込んだ光学素子の例を示すものである。これら
はＳＩＬを用いた近接場での位相検出可能なレンズ形状
の例である。
【００１７】例えば図１に示す光学素子では、半球レン
ズＬの光軸中心に円錐形の金属Ｍが導電材として埋め込
まれている。図２は、半球レンズＬに先端に向かうに従
って段階的に径が小さくなるような金属Ｍが導電材とし
て埋め込まれた光学素子を示すものである。
【００１８】図３は、半球レンズＬに直径数百ｎｍ程度
の微細な半金属Ｓ（例えばＳｉ）のみが埋め込まれた光
学素子の一例である。図４は、半球レンズＬの光軸中心
に円錐形の透明導電体Ｔが導電材として埋め込まれた光
学素子の一例である。
【００１９】いずれの光学素子においても、導電材（金
属Ｍ、半金属Ｓ、透明導電体Ｔ）の先端の直径は、半球
レンズＬによって焦点面Ｆにおいて集光される光学スポ
ットの径よりも小さい径を有し、この先端が半球レンズ
Ｌの焦点面Ｆの光学スポット内に臨むように埋め込まれ
ている。
【００２０】なお、上記各光学素子のようなＳＩＬの場
合、半球レンズＬに対して光線は垂直に入射する。この
とき、半球下面（焦点面Ｆ）における光学スポット径
は、波長／ＮＡで決まる。また、開口数ＮＡ＝ｎSin θ
（ｎ：屈折率）である。
【００２１】上記の構成において、導電材（金属Ｍ、半
金属Ｓ、透明導電体Ｔ）は、半球レンズＬに入射する光
線を邪魔しない形、すなわち埋め込まれた導電材により
光線が屈折されたり、反射によりレンズ内の光線軌跡が
影響されない形状であることが必要である。
【００２２】これにより、光軸中心部はレンズに光が入
る前に金属、半金属により遮蔽されるため、レンズ下面
（焦点面Ｆ）の光学スポットは、超解像の光学スポット
になる。
【００２３】透明導電体Ｔにおいては、円錐形状であれ
ば、同様に光の軌跡を乱すことがない。
【００２４】光線を乱さないサイズとしては、使用波長
の半分程度の形状誤差は許容できるので、例えば直径数
百ｎｍの金属球の埋め込みも可能である。
【００２５】また、本発明は、上記のＳＩＬに限らず、
図５に示すような超半球レンズ（Super SIL ）や、図６
に示すようなＳＩＭにも適用可能であり、さらには、対
物レンズ等にも適用可能である。
【００２６】上記の光学素子を用いて例えば光ディスク
の凹凸ピットを読み出す場合、光学素子に埋め込まれた
導電材と光ディスクの表面にコートされた記録層（例え
ばＣｒ）と電磁相互作用を起こす。その作用は、導電材
とＣｒ表面との距離に依存する。
【００２７】このとき、針先部分（導電材の先端部分）
に光を集光すると、集光された光は上記電磁相互作用に
より光の波の位相がずれる。これを参照光との位相差干
渉効果を用いて検出することで、導電材の先端径を解像
度とする読み出しが可能であり、集光した光学スポット
よりも微少な凹凸ピットを再生することができる。具体
的には、同一光源からのレーザ光を分岐して上記光学素
子に入射し、その焦点平面に２つの光学スポットを形成
するとともに、一方の光学スポットに対応する位置に上
記導電材を配し、導電材を配した光学スポットを検出
光、他方の光学スポットを参照光として、これらの光記
録媒体からの戻り光の干渉を利用して信号を再生する。
【００２８】観測される位相差Δφは、数１で表され
る。ここで、Ｓｉの帯磁率χは、χ＝１４．０＋１４ｉ
であり、上記位相差Δφは、光ディスクの表面にコート
されたＣｒのχ（＝−１．４＋３７．４ｉ）との積に依
存する。
【００２９】
【数１】
【００３０】したがって、Ｃｒ，Ｓｉ以外に、Ａｕ（χ
＝０．１８８＋５．３９ｉ）やＡｌ（χ＝２．８０＋
８．４５ｉ）のように、帯磁率χの虚数部分の大きな導
電材料を上記導電材（金属Ｍや半金属Ｓ、透明導電体
Ｔ）に用いることが好ましい。
【００３１】上記導電材の別の例としては、図７に示す
ように、ＳＩＬの焦点面Ｆに光学スポットＰを横切る幅
数百ｎｍのワイヤＷを配置することが挙げられる。この
とき、ワイヤＷの両端に電極Ｄ１，Ｄ２を設け、上記ワ
イヤＷに電流が流れるようにすれば、上記電磁相互作用
を増幅することができる。
【００３２】例えば、レーザ光をＳＩＬに入射するとと
もに、ワイヤＷに高周波の電流を流し、光記録媒体表面
の導電体と上記ワイヤＷとの相互作用を高周波と同期し
た信号を取り出すことにより検出し、光記録媒体に記録
された信号を高感度に再生することができる。
【００３３】なお、このとき上記レーザ光の偏向面の向
きと電流の方向とを略直交若しくは略平行とすることに
より、光磁気ディスクの記録層における偏向面の変化を
高精度に検出することが可能となる。
【００３４】また、光学素子をワイヤＷと直交する方向
に移動しながら再生を行えば、ワイヤＷの線幅を解像度
とする信号再生が可能である。
【００３５】次に、上記のような光学素子を用いた光学
ヘッドについて説明し、これを用いた信号再生方法につ
いて説明する。
【００３６】図８は、スライダと光学素子を一体化し、
これに導電材を埋め込んだ光学ヘッドの一例を示すもの
である。
【００３７】この光学ヘッドは、レンズを兼ねるガラス
スライダ１に金属２を埋め込んでなるものであり、レー
ザダイオードＬＤから出射されるレーザ光を、ビームス
プリッタＢＳ、集光レンズＬ１を介してガラススライダ
１に導き、光記録媒体３に再生光として照射して信号の
再生を行う。
【００３８】このとき、レーザダイオードＬＤからのレ
ーザ光は、ビームスプリッタＢＳと集光レンズＬ１の間
に配されたウォラストンプリズム４によって僅かな角度
で分岐され、一方は検出光ＨＫとして上記金属２の先端
位置に集光され、他方は参照光ＨＳとしてスポットから
上記金属２が外れるような位置に集光される。
【００３９】なお、図８においては、上記集光レンズＬ
１とガラススライダ１とが離れているように図示されて
いるが、これらは一体化する必要がある。
【００４０】戻り光は、上記ビームスプリッタＢＳによ
り検出用のフォトディテクタＰＤへと導かれる。ここで
もウォラストンプリズム５によって戻り光が分岐され
る。
【００４１】以上のような光学ヘッドを用いて光記録媒
体３の信号を再生する際には、検出光ＨＫと参照光ＨＳ
の位相差を干渉測定により検出する。
【００４２】例えば、上記金属２の先端が光記録媒体の
ピットの凸部と対向する位置にあるときと、凹部と対向
する位置にあるときとで、金属２の先端と光記録媒体表
面の記録層（導電材層）との間の距離が変わる。その結
果、電磁相互作用の強さが変わり、位相のずれが僅かに
変わる。
【００４３】この位相のずれの変化を上記干渉測定によ
り検出し、ピット（信号）を再生する。
【００４４】図９及び図１０は、ＳＩＭを搭載した光学
ヘッドの一例を示すものである。この光学ヘッドにおい
ては、ガラススライダ２１の上にＳＩＭ２２が載置さ
れ、接着層により固定されている。
【００４５】そして、上記ガラススライダ２１は、サス
ペンション２３により支持され、光ディスク駆動装置等
に装着されている。
【００４６】ガラススライダ２１は厚さ２９１μｍであ
り、浮上量６０ｎｍでの浮上が実現される。
【００４７】ガラススライダ２１の光記録媒体対向面２
１ａは、レール面２４、フロントステップ部２５、負圧
溝２６から構成され、レール面２４が凸面、フロントス
テップ部２５が０．３５μｍレール面２４よりも彫り下
げられ、負圧溝２６はレール面２４よりも３μｍ程度彫
り下げられている。
【００４８】したがって、上記レール面２４が浮上時に
光ディスク表面に一番近づく部分となる。
【００４９】上記負圧溝２６のほぼ中央部には、レール
面２４と同じ高さを有しＳＩＭ２２の下面（焦点面）が
臨むセンターアイランド２７が設けられており、ここに
幅３００ｎｍのＳｉワイヤ２８が導電材として設けられ
ている。
【００５０】Ｓｉワイヤ２８と検出光スポット２９，参
照光スポット３０の位置関係は図示の通りである。すな
わち、Ｓｉワイヤ２８は検出光スポット２９を横切って
配線されており、参照光スポット３０はＳｉワイヤ２８
からは外れた位置に設定されている。
【００５１】また、Ｓｉワイヤ２８の両端には、リード
線３１，３２が接続されており、Ｓｉワイヤ２８に電流
を流せるような構成となっている。浮上に影響を与えな
いよう、リード線３１，３２は溝下面に配置されてお
り、Ｓｉワイヤ２８を配線するための３００ｎｍの溝は
レール面であるセンターアイランド２７の中心に設けら
れている。
【００５２】上記Ｓｉワイヤ２８の作成方法としては、
例えばガラススライダ２１形成後、パターニングにより
幅３００ｎｍ、深さ５００ｎｍの溝を形成し、Ｓｉをス
パッタにより被覆した後、リフトオフ法により溝部以外
のＳｉを除去し、表面キスラップ研磨を行う方法等を挙
げることができる。
【００５３】ＳＩＬスライダの場合も同様の構成を採用
することができる。図１１は用いるＳＩＬの一例を示す
ものであり、この例では、半球レンズ４１はガラス基板
４２に埋め込まれたものを用い、これを集光レンズ基板
４３と一体化している。
【００５４】上記の光学ヘッドでは、光学系はウォラス
トンプリズムで僅かな角度で分岐された平行光をレンズ
に入射させ、レンズにより集光されたスポットはスライ
ダ下面に光スポットを形成する。
【００５５】スポットサイズは、スライダ下面におい
て、ＳＩＭスライダの例では０．６μｍ（ＮＡ＝１．８
に対応）であった。ＳＩＬスライダの場合には、０．７
μｍ（ＮＡ＝１．０に対応）であった。
【００５６】それぞれ２つのスポットは、約２μｍ離し
て配置した。光ディスクは、ガラス基板にピット長さ５
０ｎｍの凹凸が形成されており、表面にＣｒを厚さ５０
ｎｍとなるように被覆した。
【００５７】この光ディスク上でスライダを４０ｎｍ
（線速１０ｍ／ｓ）浮上させた。
【００５８】リード線には、１００ＭＨｚから４ＧＨｚ
程度（ｆ0 ）の高周波（データレートより十分高い周波
数）の微少電流を流し、２つの分岐した光の差動をｆ0
と同期させながら信号を取ることにより、光ディスク上
の５０ｎｍのマーク長に対応したランダムパターンの検
出が可能であった。
【００５９】同様にして、上述したような基板に形成さ
れた凹凸により情報が記録されている光ディスクだけで
なく、相変化型の光ディスクにおいても、記録マークを
検出することが可能である。相変化型の光ディスクで
は、例えばＧｅＳｂＴｅなどの相変化材料により形成さ
れた信号記録層に対して、光熱記録により、反射率の異
なる記録マークが形成される。相変化型の光ディスクに
おける、この反射率の違いは、帯磁率χの違いを意味し
ている。したがって、本発明により、上述と同様にし
て、相変化型の光ディスクに形成された微小ピット長の
記録マークの検出が可能であった。
【００６０】同様に、導電体をパーマロイのような高透
磁率の材料、または鉄のような強磁性体を用いることに
よって、光磁気あるいは磁気記録媒体の微少磁区を検出
することが可能であった。
【００６１】例えば、パーマロイを幅２００ｎｍでスラ
イダ下面に配し、これに高周波電流を流し、発生した局
部微少磁界が光ディスク上の上向き磁区と下向き磁区と
により、ごく僅か磁界分布に変化を生ずる。この磁界分
布の変化は、光との相互作用により光の位相の変化とな
って検出される。
【００６２】以上のように、ニアフィールドの光学系で
小さく絞られたスポットを用い、さらにそれより小さい
導電材を配することにより、光ディスク上の１０ｎｍ程
度の凹凸、磁性媒体の微少磁区の高速読み出しが可能で
ある。
【００６３】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、光学スポットよりも微小なマークを検出す
ることができる。
【００６４】また、このとき繁雑なサーボ機構が不要で
あり、高速読み出しも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属を埋め込んだＳＩＬの一例を示す模式図で
ある。
【図２】金属を埋め込んだＳＩＬの他の例を示す模式図
である。
【図３】微少Ｓｉを埋め込んだＳＩＬの一例を示す模式
図である。
【図４】透明導電体を埋め込んだＳＩＬの一例を示す模
式図である。
【図５】超半球レンズの一例を示す模式図である。
【図６】ＳＩＭの一例を示す模式図である。
【図７】導電材を線状にしてＳＩＬに埋め込んだ例を示
す模式図である。
【図８】光学ヘッドの一構成例を示す模式図である。
【図９】ＳＩＭを搭載した光学ヘッドの一例を示す概略
側面図である。
【図１０】図９に示す光学ヘッドの光記録媒体対向面を
示す概略平面図である。
【図１１】光学ヘッドの搭載されるＳＩＬの一例を示す
模式図である。
【符号の説明】
１ ガラススライダ、２ 金属、２２ ＳＩＭ、２９
Ｓｉワイヤ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ１１Ｂ 5/02 Ｇ１１Ｂ 5/02 Ｔ 7/005 7/005 Ａ 11/105 ５５１ 11/105 ５５１Ｌ ５６６ ５６６Ｃ ５８６ ５８６Ｈ Ｆターム(参考） 2H087 KA13 LA01 PA01 PA17 PB01 QA02 QA05 QA13 QA33 TA01 TA03 5D075 CC11 CD17 CE17 5D090 AA01 CC04 EE11 FF11 LL03 5D091 AA08 CC17 DD30 5D119 AA11 AA22 JA44 MA06

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光軸と略直交するレンズ面に、このレン
    ズ面における光学スポットの径より小なる直径若しくは
    幅を有する導電材が埋め込まれていることを特徴とする
    光学素子。
  2. 【請求項２】 上記導電材はレンズ光軸上に軸対称に埋
    め込まれ、その先端がレンズ面における光学スポットの
    径より小なる直径を有し、レンズ面に臨んでいることを
    特徴とする請求項１記載の光学素子。
  3. 【請求項３】 上記導電材は線状とされ、光学スポット
    を横切るように上記レンズ面に埋め込まれていることを
    特徴とする請求項１記載の光学素子。
  4. 【請求項４】 半球レンズ、超半球レンズ、対物レンズ
    から選ばれる１種であることを特徴とする請求項１記載
    の光学素子。
  5. 【請求項５】 上記導電材は、金属、半金属、レンズ材
    と異なる屈折率を有する透明導電材のいずれかからなる
    ことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
  6. 【請求項６】 上記導電材には、電流を流すための電極
    が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学
    素子。
  7. 【請求項７】 スライダに光学素子が搭載されてなり、
    光記録媒体に再生光を照射して信号の再生を行う光学ヘ
    ッドにおいて、上記光学素子は、光軸と略直交するレン
    ズ面に、このレンズ面における光学スポットの径より小
    なる直径若しくは幅を有する導電材が埋め込まれている
    ことを特徴とする光学ヘッド。
  8. 【請求項８】 上記光学素子は、半球レンズ、超半球レ
    ンズ、対物レンズから選ばれる１種であることを特徴と
    する請求項７記載の光学ヘッド。
  9. 【請求項９】 上記光学素子は、スライダと一体化され
    ていることを特徴とする請求項７記載の光学ヘッド。
  10. 【請求項１０】 信号検出用の光学素子と、参照用の光
    学素子とを備え、信号検出用の光学素子のレンズ面に導
    電材が埋め込まれていることを特徴とする請求項７記載
    の光学ヘッド。
  11. 【請求項１１】 上記導電材に電流を流すための電極が
    設けられていることを特徴とする請求項７記載の光学ヘ
    ッド。
  12. 【請求項１２】 同一光源からのレーザ光を分岐して光
    学素子に入射し、その焦点平面に２つの光学スポットを
    形成するとともに、 一方の光学スポットに対応する位置にこの光学スポット
    の径より小なる直径若しくは幅を有する導電材を配し、 上記導電材を配した光学スポットを検出光、他方の光学
    スポットを参照光として、これらの光記録媒体からの戻
    り光の干渉を利用して信号を再生することを特徴とする
    信号再生方法。
  13. 【請求項１３】 レーザ光を光学素子に入射し、その光
    学スポット位置に導電材を配するとともに、この導電材
    に高周波の電流を流し、 光記録媒体表面の導電体と上記導電材との相互作用を上
    記高周波と同期した信号を取り出すことにより検出し、
    光記録媒体に記録された信号を再生することを特徴とす
    る信号再生方法。
  14. 【請求項１４】 上記レーザ光の偏向面の向きと電流の
    方向とを略直交若しくは略平行とすることを特徴とする
    請求項１３記載の信号再生方法。
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