(57)【要約】【課題】      既存の近距離光学ヘッド対物レンズの光スポット集束面下に表面プラズモンフィルムをコーティングし、表面プラズモンフィルムに起こる均質問題を解決する、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。【解決手段】  近距離光学ヘッド用対物レンズによって投射ビームが集められる表面上に、表面プラズモン効果を発生するフィルムをコーティングし、前記投射ビームが、フィルムに当たり、表面プラズモン効果を発生すると、マイクロ口径が形成され、光スポットの直径が縮小されるので、光学ディスク中のデータ保存容量が上昇する。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射ビームが焦点に集められる、集束面と、
前記集束面の焦点に形成される、フィルムとより構成し、
投射光がフィルムを通過し、フィルム表面に表面プラズモン効果を付与し、マイクロ口径が形成されて、光スポットの直径を最小化することを特徴とする、
近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記対物レンズが光学ドライブピックアップヘッドに利用されることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項３】
請求項２に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記光学ドライブによるデータの読み込みおよび書き込みは、近距離光学ヘッド用対物レンズを備えたピックアップヘッドにより実施することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項４】
請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記フィルムが、少なくとも複数のインターフェイス層と、マーク層と、記録層とを有することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項５】
請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記インターフェイス層の原料が、ＺｎＳ−ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２の中から選択されることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項６】
請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記マーク層の原料が、ＡｇＯｘ、Ｓｂより選択されることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項７】
請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記インターフェイス層の原料がＺｎＳ−ＳｉＯ２であり、マーク層の原料がＡｇＯｘであることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項８】
請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記インターフェイス層の原料がＳｉＮであり、マーク層の原料がＳｂであることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項９】
請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、更に、集束レンズと、半球レンズとを有することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【請求項１０】
請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、更に、集束レンズと、スーパー球状レンズ（super-spherical lens）とを有することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ヘッド用対物レンズに関するもので、より具体的には、光スポットのサイズを最小限にするために、サーフェス・プラズモン効果を通じて形成される、近距離光およびマイクロ口径を利用する、光学ヘッド用対物レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学ヘッド用対物レンズの役割は、小径の光スポットを形成することにある。光スポットの径が小さければ小さいほど、光ディスクの保存容量が大きくなる。光スポットの径は、対物レンズの開口数（ＮＡ）と反比例している。光ビームが収束するポイントでの屈折のインデックスがｎであり、最外光線と投射ビームの光軸との間の角度がθであった場合、ＮＡ＝ｎ＊ｓｉｎθであることが知られている。したがって、光スポットを最小化するために、ビームのＮＡを増加させることが可能である。従来の光学ヘッド用対物レンズは、限界ＮＡ値が１である遠距離を利用している。近距離光原理を利用することで、ＮＡを１より大きくすることが簡単にできる。
【０００３】
従来の近距離光学ヘッド用対物レンズの基本構造を図１に示す。この対物レンズは、収束レンズ１０と半球レンズ１１を組み合わせたものである。収束レンズ１０が、レーザービームを半球レンズの下方表面に収束する場合、前記レーザービームは、半球レンズの反射のインデックスｎと入射角の適切な組み合わせの結果、完全に反射される。ディスク１２が、半球レンズ１１に近い場合、半球レンズ１１から全て反射した光は、距離が適切に調整された場合、そのエネルギーをエバネッセント波（evanescent wave）の形で下部ディスクに伝播する。距離が変わるにつれ、エバネッセント波によってもたらされたエネルギーも変わり、０と１の信号になる。ＮＡ値は、ｎ＊ｓｉｎθであり、光スポットのサイズは、約λ／ＮＡとなり、ここでλは波長である。例えば、λ＝６６０ｎｍ，ｎ＝２．０，ｓｉｎθ＝０．６であった場合、光スポットの直径は約５５０ｎｍである。エネルギースペクトラムの半値全幅を利用して、約２８０ｎｍの直径が得られる。対物レンズのＮＡ値の増加は、非常に制限されている。
【０００４】
図２には、他のタイプの近距離光学ヘッド用対物レンズを示す。スーパー球状レンズ（super-spherical lens）１４は、オリジナルの半球レンズ１１の代わりとなる。その対物レンズのＮＡ値は、ｎ２＊ｓｉｎθである。前と同じ値のセットを利用することで、ＮＡ＝２．４で、サイズが約２８０ｎｍの光スポットが得られる。エネルギースペクトラムの半値全幅を利用して、直径約１４０ｎｍが得られる。直径は、約２のファクターで縮小する。しかしながら、スーパー球状構造（super-spherical structure）１４を製造には、非常に高い精度が要求される。したがって、大量生産が困難である。
【０００５】
光スポットを最小限にし、製造に伴う困難さといった問題を解決するために、図３に示す構造を提供する。金属フィルム１８が、従来の近距離対物レンズの半球の下方集光面に被せられる。更に、金属フィルム１８上の光スポットがフォーカスされる位置に、マイクロ口径１９が空けられる。光スポットのサイズは、口径のサイズに直接的に関連する。仮に、口径のサイズを１００ｎｍより小さく抑えることができるなら、光スポットのサイズもまた１００ｎｍとなるはずである。しかしながら、難しいのは、マイクロ口径とレーザービームとの間のアラインメントである。この問題を解決するために図４に示す構造を提供する。マイクロ口径アレイ２４は、金属フィルム上に形成されることで、その配置の困難性を軽減させる。高密度データ保存技術に関連し、富永氏らは１９９８年４月にスーパーレゾリューション（super-resolution）近距離構造、スーパーレンズ（Super-RENS）の概念を提案した。図５に示すように、レーザービームが、集束対物レンズ１０によって集められた場合、スーパーレンズでもって光学ディスク３１に送られる。光が、表面プラズモン効果を発生するフィルム３１ｂに触れると、特定の既定強度より大きいセントラルエネルギーを持ったビームだけが通過できる。通過したビームの強度は、更に増幅される。更に、光スポットのサイズは、波長に対して敏感ではない。したがって、記録層３１ｄ上の光スポットの直径は最小化される。また、優れたエネルギー利用率を提供するといった効果もある。表面プラズモンフィルム（surface plasmon film）の利用によって、集束光スポットの直径を２００ｎｍよりも小さくすることが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の近距離対物レンズの半球の集束面下方に金属フィルムをコーティングする構成は、小さな口径と低い通過率のために、非常に低いエネルギー消費率を誇るものである。スーパーレンズ光学ディスク上に、均質に表面プラズモンフィルムをコーティングすることで、エネルギー消費の問題を解決できるが、大きな面積の表面プラズモンフィルム（通常直径１２０ｎｍ）を適用するための技術にはまだ困難が伴う。更に、近距離対物レンズを作成する上での他の問題（例えば、反射インデックスの大きなマテリアルを使用したり、短波長光源を利用したり、または、金属マイクロ口径を利用する場合の位置決め等）が、光スポットの直径の最小限化に伴う制限となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述より、本発明は、既存の近距離光学ヘッド対物レンズの光スポット集束面下に表面プラズモンフィルムをコーティングする技術を提供するものである。ここで提供する表面プラズモンフィルムは、従来技術よりも小さな領域をカバーするものであるから、表面プラズモンフィルムに起こる均質問題を解決することができる。
【０００８】
本発明によれば、光スポットをナノメートルスケールまで最小化することが出来る。したがって、光学ドライブピックアップヘッドが光学ディスクに書き込む際に、より小さなデータトラック間距離を実現することができる。データ保存密度は、数百ＧＢに増加される。製造工程が簡素化され、全ての近距離対物レンズに適用可能なものである。したがって、ここで発生させる光スポットのサイズは、波長に敏感なものとはならない。したがって、本発明は、将来的に高密度の光学ドライブ業界にとって大きな影響を与えるものとなるであろう。
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は特許請求の範囲の請求項１に開示するように、投射ビームが焦点に集められる、集束面と、前記集束面の焦点に形成される、フィルムとより構成し、投射光がフィルムを通過し、フィルム表面に表面プラズモン効果を付与し、マイクロ口径が形成されて、光スポットの直径を最小化することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１０】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項２は、請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記対物レンズが光学ドライブピックアップヘッドに利用されることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１１】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項３は、請求項２に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記光学ドライブによるデータの読み込みおよび書き込みは、近距離光学ヘッド用対物レンズを備えたピックアップヘッドにより実施することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１２】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項４は、請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記フィルムが、少なくとも複数のインターフェイス層と、マーク層と、記録層とを有することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１３】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項５は、請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記インターフェイス層の原料が、ＺｎＳ−ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２の中から選択されることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１４】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項６は、請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記マーク層の原料が、ＡｇＯｘ、Ｓｂより選択されることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１５】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項７は、請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記インターフェイス層の原料がＺｎＳ−ＳｉＯ２であり、マーク層の原料がＡｇＯｘであることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１６】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項８は、請求項４に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、前記インターフェイス層の原料がＳｉＮであり、マーク層の原料がＳｂであることを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１７】
また本発明の特許請求の範囲に開示した請求項９は、請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、更に、集束レンズと、半球レンズとを有することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【００１８】
さらに本発明の特許請求の範囲に開示した請求項１０は、請求項１に記載の近距離光学ヘッド用対物レンズにおいて、更に、集束レンズと、スーパー球状レンズ（super-spherical lens）とを有することを特徴とする、近距離光学ヘッド用対物レンズを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図６に示すように、既存の近距離対物レンズ１１は、光スポット集束面下をフィルム２８で以ってコーティングされ、表面プラズモン効果を得ることができる。レーザービームが、スーパーレゾリューション（super-resolution）近距離構造（スーパーレンズ，Super-RENS）に入り込むと、マイクロ口径４０が、フィルム２８に形成される。光スポットのサイズが効果的に縮小されるだけではなく、光スポットのサイズがレーザービームのエネルギーによって変調可能となる。更に、スーパーレンズは、光スポットの中心部において、エネルギーを拡大する効果を有している。従って、エネルギー利用率も向上することとなる。
【００２０】
図７を参照して、本発明の近距離光学ヘッド用対物レンズについて説明する。表面プラズモン効果を発生するフィルム２８は、従来の近距離対物レンズの半球レンズ１１下にコーティングされる。特に、２８ａと２８ｃとは、ＳｉＮ保護層であり、２８ｂは、表面プラズモン効果を発生可能な内部層であり、２８ｄは、外部保護層である。投射ライト３６が集束レンズ１０に進入した場合、ビームが半球レンズ１１に集められる。レンズ１０の焦点が、半球レンズ１１の球面の中心に一致するので、ビームは半球レンズ１１の下面に集束されることとなる。光スポットのサイズが約λ／ｎ＊ＮＡであり、ここでは、λが投射ビームの波長であり、ｎが反射のインデックスである。Ｓｂフィルム２８が、半球レンズ１１下にコーティングされるので、光スポット下のＳｂ内部層２８ｂは、表面プラズモン効果によって、フィルム２８上にマイクロ口径４０を形成することとなり、更に光スポットを縮小させ、ビームの中心密度を上げることとなる。近距離光学効果により、ビームエネルギーの一部が、数十ナノメートル厚のエアギャップを通過し、ディスク１２に到達する。ディスク１２の上部は、マイクロ口径４０のサイズとほぼ同寸の光スポットＡによって形成される。光学ドライブピックアップヘッドがディスクを読み取り、ディスク１２上のデータが、ディスク１２を通過または反射するビームエネルギーを検知して、読み取られる。
【００２１】
図８−１に示すように、フィルム構造は、インターフェイス層Ｉ，Ｉ’，Ｉ”と、マーク層Ｍ，Ｍ’，Ｍ”と、保護層Ｐ，Ｐ’，Ｐ”とを含む。インターフェイス層Ｉ，Ｉ’，Ｉ”の原料には、ＺｎＳ−ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＡｌＮ，ＳｉＯ２が用いられる。マーク層Ｍ，Ｍ’，Ｍ”の原料には、ＡｇＯｘ，Ｓｂが用いられる。図８−２と図８−３とに示すように、ここに開示された実施例のフィルム構造は、表面プラズモン効果を発生可能である。インターフェイス層Ｉ’は、ＺｎＳ−ＳｉＯ２よりなり、マーク層Ｍ’は、ＡｇＯｘよりなる。図８−３に示すように、インターフェイス層Ｉ”はＳｉＮよりなり、マーク層”はＳｂよりなる。フィルムを保護するために、硬質保護層Ｐ（例えば、ＭｇＦ２）を、層下にコーティング可能である。
以上説明した本発明は、当業者にとって、ある種の変更を施すことは可能であり、それらの変更は特許請求の範囲に記載した各請求項の精神と範囲内にあるとことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の半球近距離光学対物レンズの概略図。
【図２】従来のスーパー球状近距離光学対物レンズの概略図。
【図３】改善された従来の半球近距離光学対物レンズの概略図。
【図４】マイクロ口径アレイを備えた改善された従来の半球近距離光学対物レンズの概略図。
【図５】スーパーレンズ（Super-RENS）の概略図。
【図６】本発明に係る近距離光学ヘッド用対物レンズの概略図。
【図７】本発明に係る近距離光学ヘッド用対物レンズの実施例の概略図。
【図８−１】表面プラズモン効果を発生するフィルム構造を示した概略図。
【図８−２】表面プラズモン効果を発生するフィルム構造を示した本発明の第一実施例の概略図。
【図８−３】表面プラズモン効果を発生するフィルム構造を示した本発明の第二実施例の概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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