用于记录和/或读取的光学数据存储系统和用于这种系统的光学数据存储介质

摘要

本发明涉及一种使用中等数值孔径(NA)的多层近场光学记录，其优于高NA (NA＝2.0)的第一表面单层技术。极平且薄的间隔物层限制了由于各层深度的不同引起的球面像差。因为间隔物层的厚度允许相对高的吸收常数，这使得它们可以具有高的折射率。这在理论上使m层系统成为可能，例如m＝4，该系统具有NA＝1.6并可以包括一个平的保护覆盖层。本发明还描述了用在这种系统中的介质。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种用于记录和/或读取的光学数据存储系统，该光学数据存储系统利用波长为λ聚焦在光学数据存储介质的数据存储层上的射束，所述系统包括：

-介质，具有m个数据存储层和一个对于聚焦射束透明的覆盖层，其中m≥2，所述覆盖层具有厚度h₀和折射率n₀，所述各数据存储层由m-1个间隔物层隔开，该间隔物层分别具有相应厚度h_j和折射率n_j，其中j＝1，...，m-1。

-光学头，具有有数值孔径NA的一个物镜；所述物镜包括一个固体浸没透镜，该固体浸没透镜适于在离所述介质的最外表面小于λ/10的自由工作距离处记录/读取，并设置在所述光学数据存储介质的覆盖层一侧上；从该固体浸没透镜，该聚焦射束在记录/读取期间被倏逝波耦合耦合入光学存储介质。

本发明还涉及一种适于在这种系统中使用的光学数据存储介质。

二、背景技术

光学记录系统中对聚焦光斑或光学分辨率的典型量度由w＝λ/(2NA)给出，其中λ是空气中的波长，而透镜的数值孔径定义为NA＝sinθ。在图1A中绘出了空气入射的构造，其中数据存储层位于数据存储介质的表面处：所谓第一表面数据存储。在图1B中，折射率为n的覆盖层保护数据存储层不被刮擦和沾灰。

从这些图可以推断的是，若在数据存储层的顶部施加一个覆盖层，光学分辨率不会改变。另一方面，在覆盖层中的内部张角θ’较小，因此其内部数值孔径NA’减小了，但同时介质中的波长λ’也减小了相同的因数n₀。由于光学分辨率越高则在介质的相同面积上能够存储更多的数据，因此期望得到更高的光学分辨率。提高光学分辨率的直接的措施包括以透镜复杂度的增加、容许的盘倾斜容限的削减等为代价来拓宽聚焦光束的张角，或减小空气中的波长(即改变扫描激光束的色)。

已提出的另一种减小光盘系统中的聚焦光班尺寸的方法是采用固体浸没透镜(SIL)。SIL的最简单形状是一个中心对准在数据存储层上的半球型，参见图2A，其聚焦光班在SIL和数据层之间的界面上。若结合以具有相同折射率n₀’＝n_SIL的覆盖层，则该SIL是一个球体的切向切割部分，所述球体置于覆盖层之上，其(虚)中心也位于存储层上，参见图2B。SIL的工作原理是它把存储层中的波长减小了n_SIL倍，却不改变张角θ该n_SIL是SIL的折射率。比较图1B和图2A，其原因是：由于所有光线都以直角进入到SIL的表面，因此在SIL处的光折射率消失了。空气隙的宽度通常为25-40nm(但至少小于100nm)，图中并非按比例绘制。覆盖层的厚度通常是几个微米，同样这在图中也未按比例绘出。

非常重要但前文尚未提及的是，在SIL和记录介质之间存在一个极薄的空气隙。这允许记录盘相对于记录器的物镜(透镜加SIL)自由地旋转。该空气隙须远小于光波长，通常应小于λ/10，以便在SIL中到盘的和返回SIL中的光的所谓倏逝耦合一直可能。其发生范围被称为近场机制(near-field regime)。在该体制之外，即在更大的空气隙的时候，完全内反射将会捕获SIL内的光线并将它发送回激光器。在SIL射向空气的界面处，当光波在临界角以下时，穿过空气隙的传播不会衰减，而那些高于临界角的光波在空气隙中变成倏逝并表现出间隙宽度的指数衰减。在临界角NA＝1。对于大的间隙宽度，所有大于临界角的光由于全内反射(TIR)而从SIL的近表面反射，参见图3A和图3B。这里，NA₀是没有SIL存在的透镜的数值孔径。在这两种透镜设计中，如果空气隙太宽，则对于NA＞1都发生完全内反射。如果空气隙足够薄，则倏逝波使光来到另一侧并在透明盘中继续传播。需要注意的是，如果透明盘的折射率小于数值孔径，即n₀’＜NA，则一些光波仍为倏逝波，有效的NA＝n₀’。

对于405nm的波长，正如Blu-Ray光盘(BD)的标准，最大空气隙约为40nm，相比于传统的光学记录，这是一个极小的自由工作距离(FWD)。为了获得足够稳定的倏逝耦合，在数据层和固体浸没透镜(SIL)之间的近场空气隙应当保持在5nm以内的常值，或者更小(优选为2nm以内的常值，或更小)。在硬盘记录中，使用基于滑块的依靠被动的空气轴承的方案来保持这样一个小的空气隙。在光学记录中，记录介质必须是在驱动器中可装卸的，这样，润滑剂的使用被限制了，盘的污染水平更大了，因此将需要一种主动的、基于致动器的方案来控制该空气隙。为此目的，必须提取出间隙误差信号，最好是从已由光学介质反射的光学数据信号中提取。这样的信号可以被发现，并在图4中给出一个典型的间隙误差信号。

值得注意的是，尽管在覆盖层中的张角θ’＜π/2且NA’＝sinθ’＜1，在使用近场SIL来定义数值孔径为NA＝n_SILsinθ的情况下，NA也可以大于1(θ是边缘光线的角度)，这是一种常见的实际应用。

在使用了覆盖层情况下还须注意的是，数据存储层事实上并非在近场中。存在的只是从SIL到覆盖层的波的倏逝耦合，并结合以覆盖层中的大数值孔径。这种类型的光学存储器的更加合适的名字应该是“恒常倏逝耦合光学存储器”，或CECOS。在真正的近场光学记录中，数据可以由表面结构表示，该表面结构不但调制总反射强度，还直接影响着数据载体盘与物镜之间的倏逝耦合的程度。在CECOS的情况下，该倏逝耦合被保持在一个恒定的值，数据由数据存储层中的幅度或相位结构表示，这与光学数据存储的当前技术相同。

我们在图4中同时展示相对于来自折射率为1.48的平透明光学表面(“盘”)的线性偏振准直入射束平行和垂直偏振态的反射光的强度的测量值(来自参考文献[1])。垂直偏振态适合于作为近场光记录系统的空气隙误差信号。该测量结果与该理论极好地吻合。倏逝耦合在200nm以下变得很明显，光消逝进入“盘”中，并且在接触处总反射几乎线性地趋向最小值。该线性信号可用作空气隙闭环伺服系统的误差信号。水平偏振中的波动是由于伴随着间隙厚度的下降而使条纹(fringes)数值个数减小到NA＝1之内造成的。

关于传统近场光盘系统的更多细节可以在参考文献[2]中找到。

关于光学记录器的物镜，要么是基于滑块的，要么是基于致动器的，它们具有小的工作间距，通常小于50μm，这样在最靠近存储介质的光学表面会发生污染。这是因为：当刚从存储介质离开后，由于高的表面温度，水或其它材料会重新凝结，该表面温度对于磁光(MO)记录通常为250℃，对于相变(PC)记录通常为650℃，它是由高的激光功率和写入数据到数据记录层，甚或是从数据记录层读出数据所需要的温度导致的。这种污染最终会导致光学数据存储系统的故障，例如由于聚焦与跟踪系统的伺服控制信号的失控。该问题和其它问题一起在参考文献[3]-[5]中给出的专利申请和专利中进行了说明。

由于下列情况，该问题会变得更加严重：高湿度、高激光功率、存储介质的低光反射率、存储介质的低热导性、小的工作距离和高表面温度。

一种已知的解决方法是在存储介质上用一个热绝缘覆盖层屏蔽记录器物镜的最靠近光学表面离开数据层。例如在参考文献[4]中给出基于这种考虑的一项发明。

为近场光学存储介质提供覆盖层具有的另一个优点是灰尘和划痕不再直接损害数据层。然而，通过将覆盖层加入到近场光学存储系统中又产生了新的问题，这导致必须采取新的措施。这些措施中的一些在由本申请人同时提交的欧洲专利申请中描述了，它们的文献号是PHNL040460和PHNL040461，而且它们引向了另一个重要的考虑点，这就是本发明所要揭示的主题：多层近场记录的可行性。

下面讨论薄的超平覆盖层的一些优点。由于盘的翘曲，覆盖层的引入可能带来像差，称为“彗形像差”。这就是任何覆盖层都必须有一个受限厚度的主要原因，但这并不是我们在这里所主要关注的。

通常，数据层和固体浸没透镜之间的近场空气隙应保持在5nm之内的常数或更小，以获得足够稳定的倏逝耦合。在使用覆盖层的情况下，空气隙位于覆盖层和SIL之间，参见图2B。并且，该空气隙须被保持在5nm以内的常数。显然，SIL的焦距必须具有一个偏移来补偿覆盖层的厚度，以保证数据层自始至终都焦点对准。注意，若覆盖层的折射率低于SIL的折射率，则它决定了系统的最大可能数值孔径。

为了得到足够的热绝缘，介电覆盖层的厚度大于约0.5μm，但优选为2-10μm的数量级。和仅控制空气隙层的宽度的措施结合考虑，覆盖层的厚度变化Δh应当(远)小于焦深Δf≈nλ/(2NA²)(介质内的实际焦深是λ/4/[n-(n²-NA²)^1/2]≈nλ/(2NA²))，以保证数据层在焦点上：Δh＜Δf，参见图5。若我们取波长λ＝405nm和数值孔径NA＝1.6，我们可以得到Δf≈80nm。对于几个微米厚的旋涂层来说，其数量级是盘的整个数据区上的厚度变化的百分之一，这看起来是一个具有挑战性的精度。然而已经表明能够制造所需规格的旋涂层：几个微米的厚度，且厚度变化小于30nm，例如参见图6和参考文献[9]和[10]。覆盖层在表示80％数据区的外侧28mm的区域上是非常平的。上述效果很明显，因为液体没有被给予在盘的中心(由于那是一个孔)，而是被给予在18.9mm的半径位置处。通常这会带来分配极为不均匀的效应，在边缘处的覆盖层厚度会远远高于中部。但是，在这种情况下，可以在旋涂工艺中利用热梯度来调节作为盘半径的函数的液体粘度。

厚度只有不到1微米的更薄的层例如可通过无机化合物的溅射或溶胶凝胶技术获得。从工艺和成本的角度考虑，用厚度在1-3微米之间的或更厚的无机化合物作为较厚的层是不实用的。而且在这样的层中聚集的应力很可能造成盘的弯曲。

综上所述，可以做如下总结：

-需要一个覆盖层来防止污染和划伤。

-在近场光学记录系统中，特别是在相变记录系统中，要求覆盖层的厚度大于1μm，以用来热绝缘。

-覆盖层的折射率值必须大于NA的值。

-溅射的(无机)材料可具有极高的折射率，但由于加工时间和应力引起的盘弯曲的原因，在光盘上溅射超过1μm的覆盖层是不可行的。

-可以旋涂超过1μm的聚合物覆盖层，但聚合物比某些无机材料具有更低的折射率，这把NA限制在1.6左右。

在多层光学存储器的情况下，数据层夹在间隔物层之间。这些间隔物层具有和覆盖层一样的性质。本发明主要揭示的就是关于该间隔物层的性质，而有关覆盖层问题的讨论仅作为对该主题的引论。

现在讨论多层光学数据存储器。当每个层具有相同的数据密度时，拥有m个层(m＞1)的多层光学数据存储器能提供单层系统(m＝1)的约m倍的数据容量。这种系统的例子是双层(m＝2)的数字多功能盘(DVD)和Blu-ray光盘(BD)系统。在这些系统中，数据层由一个所谓的间隔物层分隔，该间隔物层的厚度h在DVD的情况下约为45微米，在BD的情况下约为25微米。在图7中给出了双层近场光学系统的一个例子。最靠近光学拾取单元的数据层称为L₀是半透明的。

数据层之间的最佳间隔距离h由至少以下四个条件确定：

1、数据层的聚焦S曲线应当相互隔开(用足够大的h来保证)：

$>>h>>>>\lambda >>[>n>->>>n>2>>->>NA>2>>>]>>>>>$

2、各层之间的相干串扰(检测器上其相互反射的干扰)导致RF信号的调制具有调制深度η。这种效应应当充分的弱，以确保在一个恒定的水平上切割“眼孔图样”(随着h的增大而降低，因为检测器上来自另一非读取层的光量随着h的增大而降低)。如果R_m，eff是第m层的有效反射率且检测器收集了所有的光，则可以用以下公式近似给出的调制深度(参见参考文献[6])：

$>>\eta >=>>2>\pi >>>\lambda >>h>[>n>->>>n>2>>->>NA>2>>>]>>>>>>R>>1>,>eff>>>>R>>0>,>eff>>>>>>>$

3、来自非聚焦层的通道码非相干串扰应当足够地小。这是由其它层上非聚焦光斑中的变化数据图案导致的。非相干噪声与光斑尺寸成反比，它随h的增大而减弱，这是因为h越大则其它层上照射区域就越大，从而更多的数据被平均。

4、由各层的不同深度造成的球面像差应保持足够小，以在两个层上都能保证激光焦点的受衍射限制的质量。它随着h的增大而增大，这给了h一个上限。

显然，上面的条件将间隔物层厚度置于一个界限之内。

若需进一步阅读相关内容例如可参阅参考文献[6]。需注意的是，多层近场光记录的思想已经在参考文献[7](多层)和参考文献[8](双层)的文字中偶尔地提出过了。

下面，我们可以发现对于近场光学数据存储可以采用一种新的设计体系。

进一步可以得出以下结论：

-间隔物层的折射系数值必须大于NA的值。

-溅射的(无机)材料可具有高折射系数，在一个微米数量级或更多的溅射间隔物层的厚度在光盘上是不可行的，这主要是由于工艺时间和应力导致的盘弯曲。

-可以旋涂正确厚度的聚合物间隔物层，但聚合物比一些无机材料具有低的折射率，这把NA限制在1.6左右。

关于球面像差的问题：

考虑一个在空气中能理想地聚焦的会聚光束。如果在该光束中放置一个平面平行的盘，则它不但将沿着光轴偏移焦点，而且还会引入一定量的球面像差。

Blu-ray光盘(BD)是一种使用波长405nm的蓝光且数值孔径NA＝0.85的远场(FF)光记录标准。BD的球面像差是10mλ/μm光程差(OPD)的均方根(RMS)，对于双层Blu-ray光盘，间隔物层厚度是25μm，因此从一个数据层传播到另一个数据层所得到的总球面像差量是250mλ。若任何特别的像差超过约±20mλ，则有必要对它进行补偿，以便记录系统的总像差理想地保持在71mλ以下，若超过该值，则光学系统将不再被认为是受衍射限制的，且焦点开始变得模糊。

一个已知的经验法则(来自旁轴像差理论)是球面像差的大小和层的厚度成正比，并且和NA的四次方成正比。在蓝光近场(NF)光记录中，NA＝1.6，可以推导出其球面像差是Blu-ray光盘的(1.6/0.85)⁴＝12.6倍。对于25μm的相同间隔物层厚度，其像差似乎太大了以至无法矫正。而事实上，与NA的比例关系比上面提到的经验法则更加复杂(例如参见参考文献[14])。图8中给出了适当的比例。可以看到，对于远场系统，覆盖层的折射率几乎不影响球面像差。绘出的是BD(NA＝0.85)的球面像差值。

对于多层近场记录，要解决的三个主要问题涉及：

-数据存储层之间的串扰

-间隔物与覆盖层的高折射率引起的的光吸收

-由于各间隔物层的光学深度的差异而带来的球面像差。

三、发明内容

本发明的一个目的是提供一种开头段落中提出的光学数据存储系统，其中使用了近场固体浸没透镜来获得可靠的数据记录和读出。另一个目的是提供一种用于这种系统中的光学数据存储介质。

按照本发明，第一目的是通过这样一种光学数据存储系统实现的：其特征在于，h_j中的任一个都大于

$>>>h>>j>,>min>>>=>>>b\lambda >>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>>>NA>2>>>>>$

且NA＜n_j，NA＜n₀，以及b＞10，优选为b＞15，

且所有h_j的和小于

$>>>h>max>>=>>>->\lambda >ln>f>>>8>\pi nk>>>>>n>2>>->>NA>2>>>>>$

其中n和k是用每一间隔物层的厚度加权的所有间隔物层折射率的平均实部和虚部

$>>n>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>n>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>且$ >>k>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>k>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>$$

其中k_j是间隔物层折射率n_j的虚部，以及f是聚焦辐射束的边缘光线的所要求的双程传输。

我们认识到的是，要求间隔物层既薄且平，以实现多层近场记录。此外，我们还认识到，这样的层可以被制造、如何来制造、它们的精度如何以及可使用什么样的材料(参见参考文献[10])。而且还研究了用于光学记录系统会带来什么可的结果。

其中存在有两个机制，使多层光记录中的相干串扰能够显著地减小。第一个机制是众所周知的，并被应用于DVD和BD光记录标准：通过“厚”间隔物层来优良地分开光学数据存储层。在它的整个区域上，相对于用于扫描该盘的激光波长，该间隔物层不必非常平。

新的认识是还存在第二机制来抑制相干串扰效应。已表明，如果使间隔物层足够地“薄”，则制造具有优于四分之一波长的所需平直度的间隔物层是可行的。如果数值孔径大，则对于薄的间隔物层来说，由来自其它数据存储层的非相干串扰造成的噪声仍然足够地小。极大的数值孔径是使用近场记录的主要原因，由此平且薄的间隔物层为这种技术建立了一种特别的新的体系。

进一步的认识是这种薄的层具有附带的优点。

第一个附带的优点是薄层的由光吸收造成的光学衰减更小，这允许了使用具有高的固有吸收率层材料。因为这通常伴随着的是该层状材料的折射率也更高，所以这甚而更加有益。

第二个附带的优点是，如果使用了薄的间隔物层，则数据存储层之间的相对距离就小了，从而当光聚焦在不同的层上时，穿过多层存储介质的光程差就相对地小了。较小的光程差意味着由该光程差引起的球面像差也小了。特别地，在实际情况中，例如4层近场光学数据存储系统是可行的。

在光学记录和读取系统的一个实施例中，m＝2相当于具有一个间隔物层的介质。

在另一个实施例中，在整个介质上的任一间隔物层的厚度变化Δh满足下列条件：

$>>\Delta h>\le >>\lambda >>8>>n>j>>>(>1>+>cos>>\theta >m>>)>>>>>>且$ >>cos>>\theta >m>>=>>1>->>>(>NA>/>>n>j>>)>>2>>>.>>>$$

优选的NA大于1.5，这是对于大多数近场光记录系统的情况。

在一个变换的系统实施例中，h_max由下列公式代替，且固体浸没透镜的折射率n_SIL是n_s，任一间隔物层的折射率是n_j：

$>>>h>max>>=>>>W>RMS>>>⟨sup>>f>j>2sup>>⟩>->>>⟨>>f>j>>⟩>>2>>->>>>[>⟨>>f>s>>>f>j>>⟩>->⟨>>f>s>>⟩>⟨>>f>j>>⟩>]>>2>>>⟨sup>>f>s>2sup>>⟩>->>>⟨>>j>1>>⟩>>2>>>>>>>>$

其中的变量具有下列含义：

$>>⟨>>f>s>>⟩>=>>2>>3>>NA>2>>>>[>>>n>s>>3>>->>>(>>>n>s>>2>>->>NA>2>>)>>>3>/>2>>>]>,>>>$

$>>⟨>>f>j>>⟩>=>>2>>3>>NA>2>>>>[>>>n>j>>3>>->>>(>>>n>j>>2>>->>NA>2>>)>>>3>/>2>>>]>,>>>$

$>>⟨>>>f>s>>2>>⟩>=>>>n>s>>2>>->>1>2>>>NA>2>>,>>>$

$>>⟨>>>f>j>>2>>⟩>=>>>n>j>>2>>->>1>2>>>NA>2>>,>>>$

$>>⟨>>f>s>>>f>j>>⟩>=>>1>>4>>NA>2>>>\left(\begin{array}{}>>>n>s>>>>n>j>>3>>+>>n>j>>>>n>s>>3>>->>(>>>n>s>>2>>+>>>n>j>>2>>->2>>NA>2>>)>>>>>n>s>>2>>->>NA>2>>>>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>\; >>->>>(>>>n>s>>2>>->>>n>j>>2>>)>>2>>log>[>>>>>>n>s>>2>>->>NA>2>>>->>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>>>>n>s>>->>n>j>>>>]>\; >\end{array}\right)>>>$

且W_RMS是仍能被矫正的最大均方根波前球面像差。也可参考“Compactdescription of substrate-related aberrations in high numerical-apertureoptical disk readout”，Applied Optics，第44卷第849-858页(2005)。

h_max的值被最大容许球面像差量限制，并按照如下约束：W_RMS＜250mλ，优选为＜60mλ，更优选为＜15mλ。

另一个目的是通过一种用于记录和读取的光学数据存储介质实现的，在记录和读取时使用了波长为λ且数值孔径为NA的聚焦辐射束，该光学数据存储介质至少包括：

-m个数据存储层，其中m≥2，对于聚焦辐射束透明的覆盖层，该覆盖层具有厚度h₀和折射率n₀，数据存储层由m-1个间隔物层分隔，且它们分别具有厚度h_j和折射率n_j，其中j＝1，...，m-1，其特征在于，任何一个h_j都大于

$>>>h>>j>,>min>>>=>>>b\lambda >>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>>>NA>2>>>>>$

且NA＜n_j，NA＜n₀，b＞10，优选为b＞15，

且所有h_j的和小于

$>>>h>max>>=>>>->\lambda >ln>f>>>8>\pi nk>>>>>n>2>>->>NA>2>>>>>$

其中n和k是用每一间隔物层的厚度加权的所有间隔物层折射率的平均实部和虚部

$>>n>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>n>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>且$ >>k>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>k>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>$$

其中k_j是间隔物层折射率n_j的虚部，以及f是聚焦辐射束的边缘光线的所要求的双程传输。优选地f＞0.50，更优选为f＞0.80，进一步优选为f＞0.90。

于是，像差的要求条件可写为

$>>>dW>dh>>>|>j>>=>>⟨sup>>f>j>2sup>>⟩>->>>⟨>>f>j>>⟩>>2>>->>>>[>⟨>>f>s>>>f>j>>⟩>->⟨>>f>s>>⟩>⟨>>f>j>>⟩>]>>2>>>⟨sup>>f>s>2sup>>⟩>->>>⟨>>j>1>>⟩>>2>>>>>>>$

且吸收率要求条件可写为

其中f是双程穿过叠层之后所需的最小强度。

在光学数据存储介质的一个实施例中，m＝2相当于具有一个间隔物层的介质。

在另一个实施例中，在整个介质上的任一间隔物层的厚度变化Δh满足下列条件：

$>>\Delta h>\le >>\lambda >>8>>n>j>>>(>1>+>cos>>\theta >m>>)>>>>>>且$ >>cos>>\theta >m>>=>>1>->>>(>NA>/>>n>j>>)>>2>>>.>>>$$

优选地，n_j大于1.5，更优选为1.6，进一步优选为1.7。这具有的优点是能够获得NA大于1.5带来的好处，而不受全内反射的制约。

在一个变换的系统实施例中，h_max由下列公式代替，且固体浸没透镜的折射率n_SIL是n_s，任一间隔物层的折射率是n_j：

$>>>h>max>>=>>>W>RMS>>>⟨sup>>f>j>2sup>>⟩>->>>⟨>>f>j>>⟩>>2>>->>>>[>⟨>>f>s>>>f>j>>⟩>->⟨>>f>s>>⟩>⟨>>f>j>>⟩>]>>2>>>⟨sup>>f>s>2sup>>⟩>->>>⟨>>j>1>>⟩>>2>>>>>>>>$

其中代表在整个透镜瞳孔上的某种像差均值的变量，由下式给出：

$>>⟨>>f>s>>⟩>=>>2>>3>>NA>2>>>>[>>>n>s>>3>>->>>(>>>n>s>>2>>->>NA>2>>)>>>3>/>2>>>]>,>>>$

$>>⟨>>f>j>>⟩>=>>2>>3>>NA>2>>>>[>>>n>j>>3>>->>>(>>>n>j>>2>>->>NA>2>>)>>>3>/>2>>>]>,>>>$

$>>⟨>>>f>s>>2>>⟩>=>>>n>s>>2>>->>1>2>>>NA>2>>,>>>$

$>>⟨>>>f>j>>2>>⟩>=>>>n>j>>2>>->>1>2>>>NA>2>>,>>>$

$>>⟨>>f>s>>>f>j>>⟩>=>>1>>4>>NA>2>>>\left(\begin{array}{}>>>n>s>>>>n>j>>3>>+>>n>j>>>>n>s>>3>>->>(>>>n>s>>2>>+>>>n>j>>2>>->2>>NA>2>>)>>>>>n>s>>2>>->>NA>2>>>>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>\; >>->>>(>>>n>s>>2>>->>>n>j>>2>>)>>2>>log>[>>>>>>n>s>>2>>->>NA>2>>>->>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>>>>n>s>>->>n>j>>>>]>\; >\end{array}\right)>>>$

且W_RMS是仍能被矫正的最大均方根波前球面像差。

h_max的值被最大容许球面像差量限制，并按照如下约束：W_RMS＜250mλ，优选为＜60mλ，更优选为＜15mλ。

在光学数据存储介质的一个实施例中，间隔物层由基本对辐射束透明的聚酰亚胺形成。该聚酰亚胺优选为是UV可固化的。

四、附图说明

现在将参考附图来更加具体地解释本发明，其中：

图1A和1B表示一常规远场光记录物镜和分别不带有和带有覆盖层的数据存储盘，

图2A和2B表示一近场光记录物镜和分别不带有和带有覆盖层的数据存储盘，

图3A和3B分别表示了近场透镜设计的两个基本实例：具有半球SIL的透镜，其NA＝n_SILNA₀；具有超半球SIL的透镜，其NA＝n_SIL²NA₀，

图4表示其偏振状态平行和垂直于辐射束的偏振状态的反射光的总量、以及它们的和值的测量值。

图5表示了覆盖层的厚度变化可能大于或小于焦深，

图6表示旋涂层、UV固化硅树脂硬涂层的一个例子，

图7表示一个双层光学数据存储介质，其数据层L₀和L₁被厚度为h的一个间隔物层分隔。在图7A中，激光聚焦在顶层L₀上，在图7B中，它聚焦在底部层L₁上。

图8表示了蓝光远场光学存储器的球面像差(光程差)比数值孔径的比例。

图9表示间隔物层的厚度可能大于或小于四分之一波长，

图10表示在非聚焦层上的光斑覆盖了许多数据的游程长度，

图11和11B表示了在多层光学数据存储介质中的数据层由一个厚度为h的间隔物层分隔。

图12表示了λ＝0.405μm、NA＝0.85且n＝1.62的远场情形的间隔物层厚度h在0.5和6μm之间的CCT信号，

图13表示了λ＝0.405μm、NA＝1.5且n＝1.62的近场情形的间隔物层厚度h在0和3μm之间的CCT信号。从DVD ICCT的标度得到最小厚度是h_min＝1.63。

图14表示了λ＝0.405μm、NA在0.5之间的近场情形的、对于最小间隔物层厚度h_min在0至20μm之间(从DVD ICC的标度得到)的、以间隔物层折射率n为标度的球形像差的参数空间，

图15表示了具有Bismuth Gernmnate(BGO)固体浸没透镜(SIL)的近场光学系统的球面像差。对覆盖层的折射率的三个值给出了球面像差。覆盖层的折射率的最高值获得了其最低值，

图16表示了不同折射率的SIL的具有Bismuth Gernmnate(BGO)固体浸没透镜(SIL)的近场光学系统的球面像差。如果覆盖层具有。小最的折射率差，则球面像差最小，

图17A和17B分别表示了当第一存储层在焦点上(图17A)并通过整体移动物镜来保持空气隙为常值时、以及当第四存储层在焦点上(图17B)时，在多层光学存储器的情况中的双致动器的基本操作，

图18表示一种双层透镜的设计，其包括一个第一透镜(顶部)和一个SIL。该SIL被做成圆锥形以虑及2毫弧度或0.12°的盘倾斜。第一透镜的位置可以相对于SIL而改变，

图19表示图18的双层透镜设计的焦点在L₀上的光盘的细部图，

图20表示近场双透镜致动器的一个可能实施例的剖面图。它基于DVR的HNA(高NA)设计，参见参考文献[11]，

图21表示了通过相对于SIL移动透镜而得到的散焦。

图22表示了也可通过相对于物镜移动激光准直器来获得散焦。

图23表示基于湿电(EW)或液晶(LC)材料的可开合光学元件可用来调整光学系统的焦距。也可以以此方式同时补偿定量的球面像差，以及

图24表示基于湿电(EW)或液晶(LC)材料的可开合光学元件可用来调整光学系统的焦距。此处，它被置于第一透镜和SIL之间。也可以以此方式同时补偿定量的球面像差。

五、具体实施方式

多层光学数据存储器可具有比单层技术更高的数据容量。

-数据层越多表示需要越多的间隔物层

-间隔物层应当是可旋涂的，这表示它应是一聚合物

-高数值孔径NA需要高折射率n

-高n表示高吸收k

-高k要求小的数据层间隔h

-串扰要求极平的间隔物层

-小数据层间隔允许多数据层介质，因为球面像差和光学吸收都保持在小限度内。

如此，该理论便臻于圆满。

近场光学数据存储器的间隔物层厚度尺度

如果覆盖层的厚度远小于焦深Δf≈nλ/(2NA²)，且间隔物层厚度变化远小于Δh_j＝λ/(4n_j)(注意Δh_j≈Δf)，则间隙误差信号可被用来控制间隙和聚焦，因此不再需要S曲线形聚焦误差信号，并由此它们不必被分开。如果需要，例如可以从RF调制信号中导出聚焦和球面像差偏移信号。

事实上，如果间隔物层厚度变化远小于Δh_j＝λ/(4n_j)，即远小于在间隔物层介质中的波长的1/4，则在RF信号上没有层间干涉调制，参见图9。如果厚度变化足够地小，Δh＜＜λ/(4n)，则进入一种对于光学记录极为有用的参量体系。

考虑到相干串扰，需要注意的是，如果间隔物层厚度变化Δh_j足够地小，则它对于取得相干最小值的间隔物层厚度h_j的选择是有利的。对于小数值孔径的较简单情况，其中所有光都几乎以垂直角度传播到数据存储层，这将得到间隔物层的厚度是光在间隔物层材料中的波长的四分之一的奇整数倍i：h_j＝iλ/(4n_j)。对于折射率n＝1.70和波长λ_vac＝405nm，这将得到厚度为ih_j≈60i nm，例如对于l＝23则h＝1.37μm。在高数值孔径的情况下，如在本文中所考察的，结合厚度是四分之一波长的较大倍数的间隔物层(例如i＝23)，存在大量的同心干涉条纹。来自在相长和相消干涉之间交替的这些条纹的在检测器上的光的积分强度趋向于均匀化，这表示对于高数值孔径相干串扰调制深度η将大大地减小。事实上，如果R_m，eff是第m层的有效反射率，且检测器收集了所有的光，则调制深度大致可由下式给出：

$>>\eta >=>>2>\pi >>>\lambda >>h>[>n>->>>n>2>>->>NA>2>>>]>>>>>>R>>1>,>eff>>>>R>>0>,>eff>>>>>>>$

对于大的数值孔径，间隔物层的确切厚度将仅具有一个小的结果。

这使得由非聚焦层上的通道码引起的非相干噪声成为最重要的影响因素。由非相干串扰造成的噪声可通过确定相邻层上的非聚焦光斑中的游程长度的数目来估计。在图10中估计了当焦点在L₁上时L₀上的光斑尺寸。

L₀上的光斑尺寸A是进入到间隔物层中的数值孔径NA_int的函数，或是内边缘光线的角度θ的函数。

                A＝π(htanθ)²

如果通道位长度为T，<T>即为平均游程长度。非聚焦光斑照射的游程长度的数目N_<T>为

$>>>N>>⟨>T>⟩>>>=>>A>>>⟨>T>⟩>>2>>>=>>>>\pi h>2>>>NA>2>>>>>(>>n>2>>->>NA>2>>)>>>>⟨>T>⟩>>2>>>>>>$

其中我们忽略了盘中的轨道结构。应当注意，轨距几乎等于平均游程长度(对于DVD为740nm，倍数为1.156；对于BD为320nm，倍数为1.290)。还应当注意的是，轨道之间的区域具有恒定的反射率。总非相干噪声取决于层L₀和L₁的有效反射率的比率、数据标记的调制深度以及1/N_<T>的平方根。如果N_<T>，min是得到足够低的非相干串扰的游程长度的最小数目，则间隔物层的最小厚度由下式给出

$>>>h>min>>=>>>⟨>T>⟩>>NA>>>>N>>⟨>T>⟩>,>min>>>>(>>n>2>>->>NA>2>>)>>/>\pi >>>>$

在表I中，对于选择的间隔物层的折射率、数值孔径和按BD设定的游程长度的一些值给出了间隔物层厚度的缩放比例。显然，在DVD和BD的情况下，用已知的间隔物层厚度h来计算N_<T>，min的合适值。计算的数值用粗体表示，而假设的值用正常字体表示。最后一列中的粗体给出了五组不同近场系统参数的间隔物层的最小要求厚度。显然，通常h_min＜2μm。除了最底下的一行，所有给出的例子都是针对405nm的蓝光波长的。最后一行给出的是紫外的例子。该例子显示了，即使在极端情况下的间隔物层最小厚度也不会大大低于1微米。

  表I：与非相干噪声相关的间隔层厚度 λ_vac (nm)  n  NA  <T>  (nm)  <T>/T  N_<T>，min  h  (μm)  DVD 660  0.60  640  4.8  2543  45  BD 405  0.85  248  3.3  12603  25  BNF1.45 405  1.60  1.45  145  3.3  2543  1.93  BNF1.52 405  1.60  1.52  139  3.3  2543  1.30  BNF1.60 405  1.70  1.60  132  3.3  2543  1.37  BNF1.65 405  1.73  1.65  128  3.3  2543  1.15  UVNF2.42 290  2.55  2.42  62  3.3  2543  0.59

一个设计实例，考虑了吸收

下面我们来计算边缘光线的光学吸收，边缘光线一方面具有间隔物层材料中的最长的光程长度D＝2h/cosθ，另一方面它也是最重要的，因为它确定了光学分辨率。如果f＝I/I₀是相对强度或传输比，则我们得到

$>>f>=>>I>>I>0>>>=>>e>>->D>/>>l>abs>>>>>>$

其中l_abs＝λ_vac/(4πk)材料的吸收长度，我们得到

$>>->ln>f>=>>D>>l>abs>>>=>>>8>\pi kh>>>>\lambda >vac>>cos>\theta >>>>>$

折射率的虚部满足：

$>>k>=>->ln>f>>>cos>\theta >>>8>\pi h>>>>\lambda >vac>>=>>>->ln>f>>>8>\pi nh>>>>\lambda >vac>>>>n>2>>->>NA>2>>>>>$

为了设计该系统，通过选择内边缘光线的角度θ来确定内部数值孔径NA_int，参见图10。接着，通过各层的折射率n来确定(外部)NA。通过选择边缘光线的最小可行总传输比f，可以计算各间隔物层的最佳(总)厚度h_opt。该最佳值是衰减k和非相干串扰的平衡。

以下的例子是可行的：

1)选择θ＝70°、n＝1.70、f＝80％，并且波长λ_vac＝405nm，则可得到下面的间隔物层设计规则：

2)取内边缘光线的角度θ＝70°：

NA_int＝sinθ＝0.94，

NA＝nsinθ＝1.60，

3)用数值孔径度量蓝光光盘的平均游程长度的尺寸，得到<T>＝210.8/NA。这样，结合DVD的非聚焦层中的游程长度平均数目N_<T>＝2543，得到最佳厚度：

        h_opt＝6.0×10^-6√(n²-NA²)/NA²＝1.37μm

4)边缘光线的总传输率f＝80％，在最佳厚度处取得的是(在最大NA时的双程传输)：

        k_80％＝6.0×10^-4NA²/n＝9.0×10^-4

应当注意，例如如果f＝90％，则k_90％＝0.47k_80％。

对该实例的结果进行总结，我们发现间隔物层的最佳厚度h_opt＝1.37μm。间隔物层应当由实际上能以该厚度溅射到盘上的材料来制得。聚合物的旋涂能供工艺要求的速度和精确度，同时具有高的平度(Δh＜20nm)以及在基板上可以达到的足够低的应力(高的应力会使盘弯曲，导致其表面难以满足光学物镜所要求的极小的间距)。该材料应当具有折射率n＝1.70和吸收率k＝9.0×10^-4。参见参考文献[16]，存在其规格在该参数范围内的聚合物材料。如果所选择的材料的实际吸收将比该值更低，一定存在具有更高折射率的材料(可以是所选聚合物的改性材料)，由此它能够支持更高的数值孔径，并具有恰好符合上述条件的更高的吸收因子。

在基于上面例子中给出的参考的多层系统中，例如具有4个层和1个覆盖层，其总厚度会在7μm，吸收k＝1.8×10^-4。当底层在焦点中时，覆盖层上的光斑的最大直径是39μm。

4层系统的例子

图11A和图11B描绘了一个多层光学数据存储介质。在该例子中，四个层L₀、L₁、L₂和L₃分别由厚度为h₁、h₂和h₃的间隔物层分隔。覆盖层具有厚度h₀。在图11A中，激光聚焦在顶层上，在图11B中，它聚焦在底层上。应当注意，存储层之间的分隔距离设为不相等(在该例中h₁≠h₂≠h₃＝h₁)，这防止了在读取一层时在另一存储层上的间接聚焦，例如，如果设为h₁＝h₂＝h₃，则在读取L₃时，来自L₂的反射光会在L₁上形成一个虚焦点，这会导致额外的非相干串扰。这是因为在虚层上的数据在大的光斑上不平均。

这样，图11A和11B中显示了用于记录和/或读取的光学数据存储系统，其使用了波长λ＝405nm的辐射束(即激光束)。该激光束聚焦在光学数据存储介质的数据存储层上。该系统进一步包括：

-具有4(m＝4)个数据存储层和1个覆盖层的介质，该覆盖层对聚焦激光束是透明的。所述覆盖层具有厚度h₀＝3.0μm、折射率n₀＝1.6。各数据层由3(m-1)个间隔物层分隔，其分别具有厚度h₁＝2.0μm、h₂＝4.0μm和h₃＝2.0μm，折射率n_j＝1.60且k_j＝1.4×10^-4(相当于f＝0.80)，其中j＝1、2或3；

-一个光头，其物镜具有数值孔径NA＝1.44，所述物镜包括一个固体浸没透镜(SIL)，其被用于在自由工作距离小于λ/10＝40.5nm的情况下从所述介质的最外表面记录/读取，且该SIL被装配在所述光学数据记录介质的覆盖层侧上。在读取/记录期间，通过耦合到光学存储介质内的倏逝波，聚焦激光束从该固体浸没透镜被耦合。

h_j中的任一个都大于

$>>>h>>j>,>min>>>=>>>b\lambda >>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>>>NA>2>>>>>$

且NA＜n_j＝1.62，且NA＜n₀和b＞10，

且所有h_j和小于

$>>>h>max>>=>>>->\lambda >ln>f>>>8>\pi nk>>>>>n>2>>->>NA>2>>>>>且f＝0.80$

其中n和k是用每一间隔物层的厚度加权的所有间隔物层折射率的平均实部和虚部

$>>n>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>n>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>且$ >>k>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>k>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>$$

其中k_j是间隔物层折射率n_j的虚部，以及f是聚焦辐射束的边缘光线的所要求的双程传输。

另一个NA是1.52的一组可能的参数是h₀＝3.0μm且h₁＝1.3μm、h₂＝2.6μm及h₃＝1.3μm，以及折射率n_j＝1.60和k_j＝1.3×10^-4(相当于f＝0.80)，其中j＝1、2或3。

在整个介质上的任一间隔物层的厚度变化Δh满足下列条件：

$>>\Delta h>\le >>\lambda >>8>n>>(>1>+>>>cos>\theta >>m>>)>>>>>>且$ >>cos>>\theta >m>>=>>1>->>>(>NA>/>n>)>>2>>>.>>>$$

多层近场光学数据存储层是可能的，因为可以使用薄的覆盖层和间隔物层。下面给出了可行的逐级推导：

-因为覆盖层和间隔物层很薄，所以可以将它们做得很平。

-因为间隔物层非常平，所以可以将各存储层靠得很近而不会有相干串据带来的负面效应(即间隔物层可以是薄的)。

-因为间隔物层是薄的，所以层与层之间的球面像差是小的。

-因为各层是薄的，所以它们对于一个给定的最大衰减可以具有更高的光学吸收系数k，从而便允许了更高的折射率n(根据(基本)克拉茂-克朗尼希定律，它和折射率n的实部和虚部具有因果关系)。

-因为折射率较高，所以层的厚度甚至可以更小！

-因为折射率较高，所以NA较高，因此数据容量成平方地增加。

双层近场记录：(非)相干串扰、光吸收和球面像差受限于间隔物层的厚度

考虑波长λ、数值孔径NA、间隔物层厚度h以及间隔物层折射率n的双层系统。假设两个层的反射在幅度和相位上都相同。光瞳中的干涉条纹在远离光瞳中心处的条纹和在光瞳边缘处的条纹之间取得了平均。在物镜的合成孔径上的条纹平均化导致了中央孔径信号的一项，该中央孔径信号由信号强度归一化，引起相干串扰(CCT)：

$>>CCT>=>2>sin>c>[>>>2>\pi nh>>(>1>->cos>>\theta >m>>)>>>\lambda >>]>cos>[>>>2>\pi nh>>(>1>+>cos>>\theta >m>>)>>>\lambda >>]>>>$

$>>cos>>\theta >m>>=>>1>->>>(>NA>/>n>)>>2>>>>>$

其中θ_m是间隔物层中的边缘光线的极角，且其中

sinc(x)＝sin(x)/x。cos项的周期是λ/n(1+cosθ_m)，如果NA足够地小，则由于光程差为2h，它约为λ/2n。sinc项中的出现的周期性与中央和外部条纹之间的相位差有关，并具有周期λ/n(1-cosθ_m)，其于间隔物层中的焦深有关，即轴向强度分布是：

$>>I>>(>z>)>>=>>I>max>>sin>>c>2>>[>>>\pi nz>>(>1>->cos>>\theta >m>>)>>>\lambda >>]>.>>>$

其在z＝λ/n(1-cosθ_m)处取得第一个零。对于足够小的NA，我们发现焦深λ/n(1-cosθ_m)约为2nλ/NA²。图12中显示了远场情况下λ＝0.405μm、NA＝0.85、n＝1.62的CCT信号的图示。在该情况下，cos因子比sinc因子振荡地更快。CCT信号关于间隔物层厚度的依赖性因此在sinc函数的零点被最小化。可以发现光程差2h是否是焦深λ/n(1-cosθ_m)的整数i倍。对于近场情况，若像图13曲线那样给出对于λ＝0.405μm、NA＝1.5、n＝1.62的图示，则cos因子的周期与sinc因子的周期相当。显然，之前的方案(2h＝iλ/n(1-cosθ_m))不再起作用了。一个不同的方案并不如此直接。例如，如果选择间隔物层h以使CCT信号最小或最大，则h的决定性被最小化。对平度要求例如是，相比于两个周期中的最小一个λ/n(1+cosθ_m)，变化Δh必须足够的小，假定：

其计算h的Δh≤23nm。

按双层DVD设计，考虑在非聚焦层中的随机数据造成的噪声(非相干串扰，ICCT)，最小间隔物层厚度为：

$>>>h>>j>,>min>>>=>>>b\lambda >>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>>>NA>2>>>>>$

且NA＜n_j、NA＜n₀以及b＞10，优选为b＞15。

第一实际最大间隔物层厚度可由间隔物层的吸收决定(其它因素有绝对厚度均匀性，层越厚越好)。对于边缘光线的总透射率，假定f＝80％，我们得到(在θ_m处的双程)：

$>>>h>max>>=>>>->\lambda >ln>f>>>8>\pi nk>>>>>n>2>>->>NA>2>>>>>$

其中n和k是用每一间隔物层的厚度加权的所有间隔物层折射率的平均实部和虚部

$>>n>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>n>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>且$ >>k>=>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>k>j>>>h>j>>>>>\Sigma >j>>m>->1>\; >>h>j>>>>>>$$

其中k_j是间隔物层折射率n_j的虚部，以及f是聚焦辐射束的边缘光线的所要求的双程传输。

k与消光系数的关系是

$>>\alpha >=>>>8>\pi >k>ln>10>>\lambda >>>>$

非常需要注意的是，具有高折射率n的材料也具有高的k。由上式，满足k≤6×10^-4NA²/n＝8.3×10^-4。当我们要求n＞1.7时，这就排除了大多数的有机材料(即可旋涂的聚合物)。

另一个实际的最大间隔物层厚度由激光焦点从一个数据层移动到另一个数据层时由间隔物层引入的球面像差量来决定。从该实际考虑的角度，在光程中使用一个额外的可变光学元件，只能够矫正约250毫波(milliwaves)RMS(均方根)的一定量的球面像差。

每个层上的剩余球面像差应该约小于±30毫波RMS，以保证足够低的总光程的总像差。

对于从折射率为n₁(SIL)的介质向折射率为n₂的层聚焦的透镜和数值孔径为NA的光束，每厚度h的RMS波前球面像差由下式给出。

$>>>>W>RMS>>h>>=>>⟨sup>>f>j>2sup>>⟩>->>>⟨>>f>j>>⟩>>2>>->>>>[>⟨>>f>s>>>f>j>>⟩>->⟨>>f>s>>⟩>⟨>>f>j>>⟩>]>>2>>>⟨sup>>f>s>2sup>>⟩>->>>⟨>>f>s>>⟩>>2>>>>>>>$

其中的变量(表示在透镜镜瞳上的平均像差)由下式给出：

$>>⟨>>f>s>>⟩>=>>2>>3>>NA>2>>>>[>>>n>s>>3>>->>>(>>>n>s>>2>>->>NA>2>>)>>>3>/>2>>>]>,>>>$

$>>⟨>>f>j>>⟩>=>>2>>3>>NA>2>>>>[>>>n>j>>3>>->>>(>>>n>j>>2>>->>NA>2>>)>>>3>/>2>>>]>,>>>$

$>>⟨>>>f>s>>2>>⟩>=>>>n>s>>2>>->>1>2>>>NA>2>>,>>>$

$>>⟨>>>f>j>>2>>⟩>=>>>n>j>>2>>->>1>2>>>NA>2>>>>$

$>>⟨>>f>s>>>f>j>>⟩>=>>1>>4>>NA>2>>>\left(\begin{array}{}>>>n>s>>>>n>j>>3>>+>>n>j>>>>n>s>>3>>->>(>>>n>s>>2>>+>>>n>j>>2>>->2>>NA>2>>)>>>>>n>s>>2>>->>NA>2>>>>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>\; >>->>>(>>>n>s>>2>>->>>n>j>>2>>)>>2>>log>[>>>>>>n>s>>2>>->>NA>2>>>->>>>n>j>>2>>->>NA>2>>>>>>n>s>>->>n>j>>>>]>\; >\end{array}\right)>>>$

这些方程可以用间隔物层的折射率来表达，例如引入参数m’＝n_s/n_j和s’＝NA/n_j。在图14中，对于DVD非相干串扰得到的厚度h_min，给出了某些m’值的球面像差。顶部的水平线给出了从DVD非相干串扰得到的n_spacerh_min＝n_jh_min，该非相干串扰是s’＝NA/n_j的简单函数，即底部水平轴。60mλ RMS的球面像差值对于双层系统恰好是允许的。类同的，15mλ RMS的球面像差值对于4层系统恰好是允许的。在两种情况下可以获得每层最大±30mλ RMS的球面像差。如图14所示，小比率的mj是优选的：m’＜1.2，或更优选为m’＜1.02。

表II给出了某些NA值以及间隔物层和SIL的折射率n₂和n_s的RMS球面像差。一个典型的间隔物层可以具有1.4微米的厚度和n_j＝1.7的折射率。如果SIL的折射率n_s＝1.9，表格显示了球面像差是A₄₀＝W_RMS/λ＝36.95×1.4/2＝±26毫波。应当注意，这意味着在给出的例子中不要求额外的球面像差补偿装置。

  表II：在λ＝405nm时的球面像差(mλ/mm)RMS(A₄₀)  n₂  (间隔层)  1.60  1.70  1.73  NA  1.45  1.50  1.55  1.55  1.60  1.65  1.55  1.60  1.65  n₁(SIL)  2.210  42.83  58.68  84.76  43.49  59.31  85.36  36.59  48.90  67.80  2.086  38.98  53.85  78.67  38.13  52.59  76.85  31.41  42.42  59.62  1.900  30.63  43.18  64.89  26.03  36.95  56.34  19.72  27.35  39.92

近场光学数据存储器中的球面像差

下面将说明的是，由于覆盖层和间隔物层，多层近场光学系统的球面像差可以被保持在一个可接受的范围内(参见参考文献[14])。71mλ OPD RMS的总像差被认为是衍射极限。球面像差显然应当小于该数值。在BD系统中，总球面像差是250mλ OPD RMS，并且需要例如液晶元件来进行主动补偿。近场系统中补偿250mλ OPD RMS的球面像差看起来是合理的，我们将以此作为一个拐点。

在图15中，具有Bismuth Gernmnate(BGO)固体浸没透镜(SIL)的近场光学系统的蓝光波长(405nm)下的球面像差。对覆盖层的折射率的三个值给出了球面像差。显示出覆盖层的折射率的最高值获得了球面像差的最低值。对于折射率n＝1.7和数值孔径NA＝1.6，我们得到60mλ/μm OPD RMS的球面像差。这把多层叠层(覆盖层加间隔物层)的厚度限制在约250/60≈4.2μm。

在图16中显示了具有固体浸没透镜的蓝光波长(405nm)下的球面像差，该固体浸没透镜由折射率为n＝2.007的SF66和折射率n＝1.9的玻璃制成。给出了两个覆盖层的折射率值的球面像差。对于覆盖层的折射率n＝1.7，这把多层叠层厚度限制为250/36≈7.0μm。对于制作具有1.37μm的间隔物层和1.5μm的覆盖层的4层盘，这足够了。

从图15和16得到的结果表明，由覆盖层的最高折射率获得最低值。

注意，如果远场(FF)值是已知的，近场(NF)盘的球面像差的大小不是直观的，参见图8，其中我们发现Blu-ray盘的值为10mλ/μmOPD RMS，对于双层Blu-ray盘，把它乘以间隔物层厚度25μm得到25μm×10mλ/μm＝250mλ。图15和16中的数据是利用了参考文献[14]中的理论结果计算所得，其显示了应当建议比图8中推断的数据更低的球面像差值(像差似乎是在超过NA＝1时发生了分离)。这可以追溯到一个明显的事实，即是角度θ而不是数值孔径NA＝nsinθ决定了像差(同样参见在图3中关于数值孔径做的标记)。

图15和16中显示的数据也表示了在SIL和覆盖层之间折射率差必须被做得小，以便得琶小的球面像差，且低于30mλ/μm OPD RMS的值应当是可能的。在图14中可以更清楚地看出，其中对于m＝1得到A₄₀＝0。间隔物层厚度通常将小于2μm，对于双层近场盘，乘得2μm×30mλ/μm＝60mλ。

在聚合物覆盖层和间隔物层的折射率接近n＝1.7的情况下，SIL应当优选为其折射率也为n＝1.7。然而，为了得到物镜的高数值孔径，应当要求SIL的折射率的更高的值。

实例：相比于NA＝2.0的单层的NA＝1.6的双层近场系统

NA≈1.6的双层的关键问题：

-覆盖层和间隔物层的临界厚度变化

-光路和物镜的复杂性(聚焦跳转、球面像差)

-高折射率(n＞1.7)可旋涂聚合物的可行性

上面的第一个问题已经在本发明之前的公开中被解决了，另外两个问题将在下文中讨论。可看到，这些问题中的任一个都不是根本问题。

NA≈1.6的双层的优势

相比于NA＝2.0的单层系统，NA＝1.6的双层系统可以拥有多28％的容量。

NA≈1.6的聚合物间隔物层相比于NA≈2.0的溅射间隔物层：

+具有几μm厚度的层用聚合物没有问题

+厚的聚合物间隔物层几乎不会产生应力(更小的盘弯曲)

+旋涂比溅射快得多

NA≈1.6的聚合物覆盖层相比于NA≈2.0的溅射覆盖层：

+聚合物具有更低的热导率，这表示在相变盘上的表面温度更低

+具有几μm厚度的层用聚合物没有问题

+厚的聚合物覆盖层几乎不会产生应力(更小的盘翘曲)

+旋涂比溅射快得多

+降低了对小刮擦的敏感性

NA≈1.6的凹坑和沟槽尺寸相比于NA≈2.0的

+更容易和快速的母盘制作

+更容易的复制

+更大的失轨(de-tracking)容限，用于伺服的1.25×的更小DC增益

+相比于相变微晶更大的相变效应

+对于TE(TM)极化点更有效的衍射

NA≈1.6的物镜相比于NA≈2.0透镜的好处：

+对于相同的NF耦合效率允许更大的空间间隙(40nm比25nm)

+更大的剩余空气隙误差

+更宽的透镜制造容限

+对于NA≈1.6更大的光斑：比NA≈2.0更大的读取功率(更好的SNR)

+1.25×更小的MTF截止频率：更小的整合介质噪声，更好的SNR

静态聚焦控制

当给定覆盖层与m个间隔物层的总厚度h具有足够小的厚度变化Δh＝Δh₁+Δh₁+...+Δh_m，假定其总体厚度变化不到20-50nm，我们提出一种静态焦距矫正来补偿覆盖层和间隔物层的组合厚度变化，以作为对动态空气隙矫正的补充。

其目的是使数据(存储)层在焦点上，且同时SIL和覆盖层之间的空气隙保持常数，以便保证合适的倏逝耦合。

光学物镜的位置应当按照某种间隙误差信号来调节，以将间隙保持在5nm之内的常值。

覆盖层和间隔物层的组合厚度变化即显著小于焦距，又显著小于间隔物层中的四分之一波长，这样就消除了对物镜的动态焦点控制的需要，否则它将作为间隙伺服的补充，参见本发明人同时申请的文献号为PHNL040460的欧洲专利申请。只有用来补偿盘与盘之间的差别的静态焦点控制和球面像差校正是需要的。这可以通过优化一个已知信号的调制深度来实现，例如从一个导入轨道。

例如，物镜可以包括两个轴向配置的光学元件，用来调整成对焦距而无需显著地改变空气隙。于是可通过整体移动物镜来调整空气隙，参见图17A和17B。空气隙被保持恒定(控制SIL来跟随盘的表面)，由此配置透镜来得到在第四存储层上的焦点。总体来说，将保持一定量的球面像差。在一些情况中，透镜系统的最佳设计、覆盖层和间隔物层的组合将满足系统的要求，在另一些情况中，将必须采用主动的球面像差调整和其它的措施。

注意，本发明人同时申请的文献号为PHNL040460和PHNL040461的欧洲专利申请不仅应用于单层光学系统，也同样应用于多层光学系统。

聚合物的高折射率：一个例子是n＞1.7

存在有高折射率的聚合物，其折射率高达n＝1.9，例如BrewerScience公司制造的材料。我们应用的最有趣的化合物来自所谓的聚酰亚胺。光在405nm波长的光学吸收是高的，但是在本发明的公开中所指出的厚度体制内，它对于某些材料足够低而能够应用。

该材料应当具有n＝1.70的折射率和k＝9.0×10^-4的吸收。存在有规格在该参数范围内的材料，参见参考文献[16]。

为了在吸收量k(折射率的虚部)和α(消光系数)之间转换，可以使用下面的方程：α＝4πkln10/λ≈0.289k/λ(cm^-1)，λ的单位为米。

双层NF物镜：光学设计例NA＝1.5

为可行化起见，在此使用本申请人做的设计作为例子，参见图19和20。

为该设计所假定的参数：

-用于405nm波长的玻璃模制透镜

-NA＝1.5

-覆盖层厚度3μm(n＝1.62)

-间隔物层厚度3μm(n＝1.62)

-从数据层L₀至L₁的焦点跳转时的恒定空气隙

焦点跳转要求：

-准直透镜位置的改变，

-第一透镜和SIL之间的距离改变，

聚焦在L₀上：NA＝1.50，OPD＝0mλ RMS，共轭距＝无限大

聚焦在L₁上：NA＝1.53，OPD＝14mλ RMS，共轭距＝-78mm。

15mλ OPD RMS的公差：区域Δφ＝0.22°，SIL离轴：Δr＝7μm，SIL厚度：Δt＝12μm，非球面离轴：Δr＝1.0μm。

BGO SIL的厚度公差很大，非球面轴偏的容限严格，但可行。该例子表明了双层近场是可行的。

透镜、矫正器和光路的典型例子(同样参见PHNL040460)

已经设计了双透镜致动器，参见图20和参考文献[11]，其具有一个洛仑兹电机来调整记录器物镜内的两个透镜之间的距离。该透镜组件整体适配于致动器内部。双透镜致动器由两个以相反方向缠绕线圈和两个径向磁化的磁体组成。线圈围绕着物镜保持架缠绕，且该保持架由两个片簧悬挂。流经线圈的电流与两个磁体的杂散场组合将产生一个垂直力，该力将把第一物镜朝向或背向SIL移动。一种近场设计可能看起来像图21中绘出的那样。

图11、17、18、20和21中显示的实施例的替换实施例改变了系统的焦点位置，例如包括图22的对激光准直透镜的调整，或者参见23和24以及参考文献[7]的基于电湿或液晶材料的可开合光学元件。当然，这些措施也可同时被采用。

参考文献

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