JP2001249278A - 集光光学系、その使用方法および集光光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光を高いＮＡでかつ損失なく集光させること
が可能な集光光学系を提供する。 【解決手段】 一方が凸面で他方が平面の第１の表面と
第２の表面を有する透明基材の第１の表面に、開口を有
する反射膜を設け、第２の表面に、コレステリック液晶
膜を設ける。１つの使用方法では、円偏光の発散光を反
射膜の開口より入射させ、コレステリック液晶膜と反射
膜で順次反射して、コレステリック液晶膜を透過させ
て、平行光として出射させる。他の使用方法では、円偏
光の平行光をコレステリック液晶膜を透過させて入射さ
せ、反射膜とコレステリック液晶膜で順次反射して、反
射膜の開口より収束光として出射させる。コレステリッ
ク液晶膜に代えて、１／４波長膜と直線偏光選択反射膜
を備える構成もある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は集光光学系に関し、
特に、光記録装置のピックアップユニットのように微細
な径の光束を必要とする用途に適する集光光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光ディスク等の光記録媒体に光によって
情報を記録する光記録装置では、記録密度を高めるため
に、信号の書き込みや読み出しに用いる光束の径を微小
にする必要があり、光記録装置のピックアップユニット
には、光源からの光束を収束させて照射対象である記録
媒体上に微小径のスポットを形成させる集光光学系が備
えられている。近年では、光の回折限界程度の超解像を
利用する光記録装置も開発されており、光束径を小さく
するだけでなく、光束の収束位置までの距離がきわめて
短い、すなわち開口数（ＮＡ）の大きい集光光学系が求
められるようになってきた。

【０００３】このような用途に使用されている集光光学
系を図７〜図９に示す。これらの図において、矢印は光
の入射方向を表す。図７の光学系は２つの凸レンズ９
１、９２より成り、集光を２段階で行うことによりＮＡ
を大きくすることを実現している。

【０００４】図８の光学系は凸面９３ａと平面９３ｂを
有する透明基材９３より成る単一の素子で構成されてい
る。凸面９３ａの中央部は凹面９３ｃとされており、こ
の凹面９３ｃを除く凸面９３ａの全体には反射膜が設け
られている。また、平面９３ｂにも、中央部９３ｄを除
き、反射膜が設けられている。反射膜のない中央部９３
ｄは小さく設定されている。光源からの光は凹面９３ｃ
より与えられ、屈折により広がりながら素子の内部に入
る。この光は平面９３ｂで反射され、凸面９３ａでさら
に反射される。凸面９３ａで反射された光は平面９３ｂ
の中央部９３ｄに収束し、ここから素子の外に出る。こ
の素子は固浸ミラー（ＳＩＭ：solid immersion mirro
r）となり、ＮＡが大きい。

【０００５】図９の光学系も凸面９４ａと平面９４ｂを
有する透明基材９４より成る単一の素子で構成されてい
る。凸面９４ａには、中央部９４ｃを除いて、反射膜が
設けられており、平面９４ｂの中央部９４ｄにも反射膜
が設けられている。光源からの光は平面９４ｂより与え
られる。平面９４ｂを透過して素子の内部に入った光
は、凸面９４ａで反射されて、平面９４ｂの中央部９４
ｄに向かい、中央部９４ｄでさらに反射される。平面９
４ｂの中央部９４ｄで反射された光は、凸面９４ａの中
央部９４ｃに収束し、ここから素子の外に出る。この素
子もＳＩＭとなり、ＮＡが大きい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図７の光学
系は、２つのレンズ９１、９２で構成されているため、
大きい上に重い。したがって、ピックアップユニットの
大型化を招き、また、高速での駆動を困難にする。しか
も、２つのレンズ９１、９２の光軸を一致させるための
調整が難しく、そのために時間を要して、製造効率が悪
い。

【０００７】図８や図９に示した光学系ではこれらの不
都合はほとんど解消されている。しかしながら、図８の
光学系では、入射光のうち凹面９３ｃの中心付近を透過
したものは、屈折角が小さいため、平面９３ｂの中央部
９３ｄ近傍で反射された後、凸面９３ａではなく凹面９
３ｃに向かい、凹面９３ｃを透過して素子の外に出る。
このため、与えられた光の一部が失われる。図９の光学
系でも、光源からの光を平面９４ｂの中央部９４ｄが遮
るため、光の一部が失われることになる。また、いずれ
の光学系においても、斜線で示した部位を通って平面９
３ｂの中央部９３ｄや凸面９４ａの中央部９４ｃに集ま
る光がないため、照射対象上に形成されるスポットの強
度が不均一になって、集光性能の低下を招く。

【０００８】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、光を高いＮＡでかつ損失なく集光させるこ
とが可能な集光光学系、およびそのような集光光学系と
して機能する簡素な構成の集光光学素子を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、第１の面と第２の面を有し、第１の面
と第２の面の少なくとも一方の集光パワーによって第１
の面と第２の面を透過する光を集光する集光光学系にお
いて、第１の面を光を透過させる開口部を有する反射面
とし、第２の面を回転方向の異なる２つの円偏光の一方
を透過させるとともに、他方を反射してその回転方向を
保つ反射面とする。なお、円偏光の回転方向について
は、光の進行方向に向かって、右回り、左回りと定義す
る。

【００１０】この集光光学系は、入射光として円偏光を
与えられて、入射光を第１の面と第２の面で反射するこ
とにより集光して、最終的に透過光として射出するもの
である。第１の面の開口部を入射面、第２の面を出射面
とすることもできるし、第２の面を入射面、第１の面の
開口部を出射面とすることもできる。第１の面は通常の
反射面であり、円偏光をその回転方向にかかわらず反射
して、反射後の円偏光の回転方向を反転させる。第２の
面は回転方向に応じて円偏光を透過させまたは反射し、
反射後の円偏光の回転方向を反転させない。

【００１１】第１の面の開口部を入射面とするときは、
第２の面によって反射される円偏光を入射光として用い
る。この円偏光は、第２の面で反射された後、第１の面
で反射されることによって第２の面を透過する円偏光と
なり、第２の面から出射する。第２の面を入射面とする
ときは、第２の面を透過する円偏光を入射光として用い
る。この円偏光は、第２の面を透過した後、第１の面で
反射されることにより第２の面で反射される円偏光とな
り、第２の面で反射されて第１の面の開口部から出射す
る。いずれの場合も、円偏光の回転方向は入射時と出射
時とで逆になる。

【００１２】この集光光学系は、第１の面または第２の
面の曲率次第で集光パワーを自由に設定することが可能
であり、容易にＮＡを高くすることができる。ＳＩＭと
することも可能である。しかも、入射面で光を失うこと
がなく、与えられる光のほとんど全てを利用することが
できる。

【００１３】本発明ではまた、第１の面と第２の面を有
し、第１の面と第２の面の少なくとも一方の集光パワー
によって第１の面と第２の面を透過する光を集光する集
光光学系において、第１の面を光を透過させる開口部を
有する反射面とし、第２の面を偏光面の直交する２つの
直線偏光の一方を透過させ、他方を反射する反射面とし
て、さらに、直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線
偏光に変換する変換手段を第１の面と第２の面の間に備
える。

【００１４】この集光光学系は、入射光として円偏光ま
たは直線偏光を与えられて、入射光を第１の面と第２の
面で反射することにより集光して、透過光として射出す
るものである。第１の面の開口部を入射面、第２の面を
出射面とすることもできるし、第２の面を入射面、第１
の面の開口部を出射面とすることもできる。第１の面は
通常の反射面であり、円偏光をその回転方向にかかわら
ず反射して、反射後の円偏光の回転方向を反転させる。
第２の面は直線偏光をその偏光面の方向に応じて透過さ
せまたは反射する。変換手段は円偏光と直線偏光を相互
に変換する。

【００１５】第１の面の開口部を入射面とするときは、
変換手段を透過することにより第２の面で反射される直
線偏光となる円偏光を入射光として用いる。この円偏光
は、変換手段を透過して直線偏光となり、第２の面で反
射された後、変換手段を再度透過して入射時の円偏光に
戻り、第１の面で反射される。第１の面で反射された円
偏光は、回転方向が反転し、もう一度変換手段を透過す
ることにより、第２の面を透過する直線偏光となって、
第２の面から出射する。

【００１６】第２の面を入射面とするときは、第２の面
を透過する直線偏光を入射光として用いる。この直線偏
光は、第２の面を透過した後、変換手段を透過すること
によって円偏光となる。この円偏光は、第１の面で反射
されて回転方向を反転され、変換手段を再度透過して第
２の面で反射される直線偏光となる。第２の面で反射さ
れた直線偏光は、変換手段をもう一度透過することによ
り円偏光となり、第１の面の開口部から出射する。

【００１７】この集光光学系も、第１の面または第２の
面の曲率の設定次第で容易にＮＡを高くすることがで
き、ＳＩＭとすることも可能である。また、入射面で光
を失うことがなく、与えられる光のほとんど全てを利用
することができる。

【００１８】本発明では、これらの集光光学系を次の２
通りの方法で使用する。第１の方法は、偏光を第１の面
の開口部から入射させて、第２の面と第１の面で順に反
射させ、第２の面から出射させるものである。入射させ
る偏光としては、上述のように、第２の面で反射される
円偏光または第２の面で反射される直線偏光となる円偏
光を用いる。この方法では、微小な部位からの発散光を
平行光または平行光に近い光束とすることができる。し
たがって、この方法で使用すれば、集光光学系は光記録
媒体からの光の検出に適するものとなる。

【００１９】第２の方法は、偏光を第２の面から入射さ
せて、第１の面と第２の面で順に反射させ、第１の面の
開口部から出射させるものである。入射させる偏光とし
ては、前述のように、第２の面を透過する円偏光または
直線偏光を用いる。この使用方法では、平行光または平
行光に近い光束を収束光として、照射対象面に微小径の
スポットを形成することが可能である。したがって、こ
の方法で使用すれば、集光光学系は光記録媒体への光の
照射に適するものとなる。

【００２０】上記目的を達成するために、本発明ではま
た、光を透過させて集光する集光光学素子において、第
１の表面と第２の表面を有し、第１の表面と第２の表面
の少なくとも一方が凸面である透明基材と、透明基材の
第１の表面に設けられ、光を透過させる開口部を有する
反射膜と、透明基材の第２の表面に設けられたコレステ
リック液晶膜とを備えるものとする。

【００２１】この集光光学素子は、最初に説明した集光
光学系を簡素な構成の単一の素子として実現したもので
ある。透明基材の表面のうち、反射膜が設けられた第１
の表面が前述の第１の面に相当し、コレステリック液晶
膜が設けられた第２の表面が前述の第２の面に相当す
る。コレステリック液晶膜は、そのキラリティに応じ
て、回転方向が異なる２つの円偏光の一方を透過させ他
方を反射するが、反射した円偏光の回転方向を保つこと
ができる。

【００２２】本発明ではさらに、光を透過させて集光す
る集光光学素子において、第１の表面と第２の表面を有
し、第１の表面と第２の表面の少なくとも一方が凸面で
ある透明基材と、透明基材の第１の表面に設けられ、光
を透過させる開口部を有する反射膜と、透明基材の第２
の表面に設けられ、偏光面が直交する２つの直線偏光の
一方を透過させ他方を反射する直線偏光選択反射膜と、
透明基材の第１の表面と反射膜との間または透明基材の
第２の表面と直線偏光選択反射膜との間に設けられた１
／４波長膜とを備えるものとする。

【００２３】この集光光学素子は、２番目に説明した集
光光学系を簡素な構成の単一の素子として実現したもの
である。透明基材の表面のうち、反射膜が設けられた第
１の表面が前述の第１の面に相当し、直線偏光選択反射
膜が設けられた第２の表面が前述の第２の面に相当す
る。また、１／４波長膜が円偏光と直線偏光を相互に変
換する変換手段に相当する。１／４波長膜は、第１の表
面と第２の表面のどちらに設けてもよいが、一方のみ
に、かつ透明基材の表面と反射膜または直線偏光選択反
射膜との間に設ける。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の集光光学系の実施
形態について図面を参照しながら説明する。図１に、本
発明の集光光学系を単一の素子として実現した第１の実
施形態の集光光学素子１の構成と、その集光作用を模式
的に示す。集光光学素子１は、凸面である第１の表面１
１と平面である第２の表面１２を有するＢＫ７ガラス製
の透明基材１０より成る。

【００２５】第１の表面１１は回転放物面であり、その
中心を回転軸が通る。第１の表面１１には、中央の小さ
な円形の領域を除き、全体にアルミニウム製の反射膜５
１が設けられている。したがって、第１の表面１１は、
光を透過させる開口５２を中央に有する反射面として機
能する。

【００２６】第２の表面１２は第１の表面１１の回転軸
に対して垂直である。第２の表面１２には、全体にコレ
ステリック液晶膜５３が設けられている。一般に、コレ
ステリック液晶は、そのキラリティに応じて、回転方向
が逆の２つの円偏光の一方を透過させ、他方を反射する
特性を有している。またコレステリック液晶は、例えば
反射膜５１のように反射後の円偏光の回転方向を反転さ
せる通常の反射膜と異なり、反射後の円偏光の回転方向
を反射前と同じに保つ特性も有している。したがって、
第２の表面１２は、１方向に回転する円偏光のみを反射
してその回転方向を保つ反射面として機能する。

【００２７】第２の表面１２は、放物面である第１の表
面１１の頂点とその焦点との略中間に位置しており、第
２の表面１２で折り返した第１の表面１１の焦点は、頂
点から僅かに離れた第１の表面１１の外側の点Ｐ上に位
置する。

【００２８】集光光学素子１は次の２つの方法で使用す
ることができる。第１の方法では、矢印Ａで示したよう
に反射膜５１の開口５２を通して第１の表面１１から光
を入射させて、第２の表面１２から出射させる。第２の
方法では、矢印Ｂで示したように第２の表面１２から光
を入射させて、第１の表面１１から反射膜５１の開口５
２を通して出射させる。いずれの方法においても１方向
に回転する円偏光を入射光として用いるが、第１の方法
ではコレステリック液晶膜５３で反射される回転方向の
円偏光を、第２の方法ではコレステリック液晶膜５３を
透過する回転方向の円偏光を用いる。

【００２９】第１の方法で集光光学素子１を使用する場
合、入射光を点Ｐまたはその近傍からの発散光とするこ
とにより、集光後の光を平行光または平行光に近い光束
とすることができる。第１の使用方法における点Ｐから
の発散光に対する集光光学素子１の集光作用について説
明する。

【００３０】入射光である円偏光は、反射膜５１の開口
５２から第１の表面１１を透過して透明基材１０の内部
に入り、発散しながら第２の表面１２に向かう。第２の
表面１２に達した円偏光は、コレステリック液晶膜５３
によって反射され、回転方向を維持したまま、入射時と
同じ度合いで発散しながら第１の表面１１に向かう。こ
の円偏光は、第１の表面１１の焦点からの発散光と等価
なものとなる。

【００３１】第１の表面１１に達した円偏光は、反射膜
５１によって反射され、回転方向が反転してコレステリ
ック液晶膜５３を透過する円偏光となり、また、平行光
となる。この円偏光は、第２の表面１２に達してこれを
透過し、さらにコレステリック液晶膜５３を透過して、
集光光学素子１から出射する。

【００３２】第２の方法で集光光学素子１を使用する場
合、入射光を平行光または平行光に近い光束とすること
により、集光後の光を点Ｐまたはその近傍に収束させる
ことができる。第２の使用方法における平行光に対する
集光光学素子１の集光作用について説明する。

【００３３】入射光である円偏光は、コレステリック液
晶膜５３および第２の表面１２を透過して透明基材１０
の内部に入り、平行光のまま第１の表面１１に向かう。
第１の表面１１に達した円偏光は、反射膜５１によって
反射され、回転方向が反転してコレステリック液晶膜５
３で反射される円偏光となる。また、反射膜５１によっ
て反射された後の円偏光は、第１の表面１１の焦点に収
束する収束光となる。

【００３４】この円偏光は第２の表面１２に達し、コレ
ステリック液晶膜５３で反射されて、回転方向を維持し
たまま、反射膜５１の開口５２に向かう。第１の表面１
１に達した円偏光は、これを透過して集光光学素子１か
ら出射し、開口５２を通って点Ｐに収束する。

【００３５】なお、厳密にはコレステリック液晶膜５３
は透明基材１０側の面と空気側の面との間で円偏光を反
射するが、コレステリック液晶膜５３は薄く形成されて
おり、その厚さは透明基材１０の厚さと比べ無視し得る
ほど小さいため、事実上、円偏光は透明基材の第２の表
面１２で反射されるといえる。

【００３６】第２の実施形態である集光光学素子２の構
成と、その集光作用を図２に模式的に示す。集光光学素
子２は、凸面である第１の表面２１と平面である第２の
表面２２を有するＢＫ７ガラス製の透明基材２０より成
る。

【００３７】第１の表面２１は回転放物面であり、その
中心を回転軸が通る。第１の表面２１には、中央に小さ
な円形の開口５２を有するアルミニウム製の反射膜５１
が設けられている。第２の表面２２は第１の表面２１の
回転軸に対して垂直である。また、第２の表面２２で折
り返した第１の表面２１の焦点は、頂点から僅かに離れ
た第１の表面２１の外側の点Ｐ上に位置する。これらの
構成は第１の実施形態の集光光学素子１と同様である。

【００３８】第２の表面２２の全体には１／４波長膜５
４が設けられている。また、１／４波長膜５４の表面全
体には、偏光面が直交する２つの直線偏光のうち一方を
透過させ他方を反射する特性を有する直線偏光選択反射
膜５５が設けられている。集光光学素子２はこの点で集
光光学素子１とは異なる構成となっている。

【００３９】１／４波長膜５４および直線偏光選択反射
膜５５はそれぞれ高分子樹脂で形成されている。１／４
波長膜５４は、一般の１／４波長板と同様に、特定方向
の偏光成分の位相を１／４波長分だけずらすことによ
り、円偏光を直線偏光に変換し、直線偏光を円偏光に変
換する。また、直線偏光選択反射膜５５は、例えば反射
膜５１のような通常の反射膜と同様に、反射後の直線偏
光の偏光面に変化をもたらさない。直線偏光選択反射膜
５５は、１／４波長膜５４が位相をずらす方向に対して
４５゜傾いた偏光面の直線偏光を反射するように設定さ
れている。

【００４０】集光光学素子２も、矢印Ａで示したように
反射膜５１の開口５２を通して第１の表面２１から光を
入射させて、第２の表面２２から出射させる第１の方法
と、矢印Ｂで示したように第２の表面２２から光を入射
させて、第１の表面２１から反射膜５１の開口５２を通
して出射させる第２の方法で使用することができる。第
１の方法で使用するときは、入射光として、１／４波長
膜５４を透過することにより選択反射膜５５で反射され
る直線偏光となる円偏光を用いる。第２の方法で使用す
るときは、入射光として、選択反射膜５５を透過する偏
光面の直線偏光を用いる。

【００４１】第１の方法で集光光学素子２を使用する場
合、入射光を点Ｐまたはその近傍からの発散光とするこ
とにより、集光後の光を平行光または平行光に近い光束
とすることができる。第１の使用方法における点Ｐから
の発散光に対する集光光学素子２の集光作用について説
明する。

【００４２】入射光である円偏光は、反射膜５１の開口
５２から第１の表面２１を透過して透明基材２０の内部
に入り、発散しながら第２の表面２２に向かう。第２の
表面２２に達した円偏光は、第２の表面２２を透過し、
さらに１／４波長膜５４を透過して直線偏光となる。こ
の直線偏光は選択反射膜５５によって反射される。選択
反射膜５５により反射された直線偏光は、１／４波長膜
５４と第２の表面２２を再度透過して入射時と同じ度合
いで発散しながら第１の表面２１に向かうが、この間に
１／４波長膜５４を透過することにより、入射時と同じ
回転方向の円偏光に戻る。

【００４３】第１の表面２１に達した円偏光は、反射膜
５１によって反射されて、回転方向が反転した円偏光と
なり、また、平行光となる。この円偏光は第２の表面２
２に達し、これを透過して、さらに１／４波長膜５４も
透過する。１／４波長膜５４を透過することにより円偏
光は再び直線偏光になるが、その偏光面は最初に１／４
波長膜５４を透過して直線偏光になったときの偏光面に
対して垂直になる。この直線偏光は、選択反射面５５を
透過して、集光光学素子２から出射する。

【００４４】第２の方法で集光光学素子２を使用する場
合、入射光を平行光または平行光に近い光束とすること
により、集光後の光を点Ｐまたはその近傍に収束させる
ことができる。第２の使用方法における平行光に対する
集光光学素子２の集光作用について説明する。

【００４５】入射光である直線偏光は、選択反射面５５
を透過し、さらに１／４波長膜５４を透過して円偏光と
なる。この円偏光は第２の表面１２を透過して透明基材
２０の内部に入り、平行光のまま第１の表面２１に向か
う。第１の表面２１に達した円偏光は、反射膜５１によ
って反射されて、回転方向が反転するとともに、第１の
表面２１の焦点に収束する収束光となる。

【００４６】この円偏光は第２の表面２２に達し、これ
を透過して、さらに１／４波長膜５４を透過する。１／
４波長膜５４を透過することにより円偏光は直線偏光と
なるが、その偏光面は入射時の偏光面に対して垂直にな
る。この直線偏光は、選択反射面５５で反射されて、１
／４波長膜５４および第２の表面２２をもう一度透過
し、反射膜５１の開口５２に向かう。その間、１／４波
長膜５４を透過することにより、直線偏光は円偏光とな
る。第１の表面２１に達した円偏光は、これを透過して
集光光学素子２から出射し、開口５２を通って点Ｐに収
束する。

【００４７】なお、厳密には選択反射膜５５は１／４波
長膜５４側の面と空気側の面との間で直線偏光を反射す
るが、選択反射膜５５は薄く形成されているため、事実
上、直線偏光は１／４波長膜５４と選択反射膜５５の界
面で反射されるといえる。

【００４８】第３の実施形態である集光光学素子３の構
成と、その集光作用を図３に模式的に示す。この集光光
学素子３は、第１の実施形態の集光光学素子１の透明基
材１０に代えて、形状の異なるＢＫ７ガラス製の透明基
材３０を備えたものである。透明基材３０は平面である
第１の表面３１と凸面である第２の表面３２を有してお
り、アルミニウム製の反射膜５１は第１の表面３１に、
コレステリック液晶膜５３は第２の表面３２に設けられ
ている。

【００４９】第１の実施形態の集光光学素子１において
は、第１の表面１１が凸面であって、この面が集光パワ
ーを有していたが、本実施形態の集光光学素子３では、
第２の表面３２が集光パワーを有する。集光パワーを有
する面が相違するだけで、集光光学素子３の集光の原理
は集光光学素子１と同様である。したがって、矢印Ａで
示すように、反射膜５１の開口５２を通して光を第１の
表面３１から入射させる第１の方法と、矢印Ｂで示すよ
うに、第２の表面３２から光を入射させる第２の方法を
使用することが可能である。入射光として用いる円偏光
は前述のとおりである。

【００５０】第１の方法で使用すれば、第２の表面３２
の回転軸上に位置し第１の表面３１から僅かに離れた外
側の点Ｑからの発散光を、平行光または平行光に近い光
束とすることができる。第２の方法で使用すれば、平行
光または平行光に近い光束を、点Ｑに収束させることが
できる。

【００５１】ただし、透明基材３０の第２の表面３２
は、反射による集光パワーに加えて、透過する光に対す
る屈折による集光パワーも有する。したがって、集光光
学素子３では、凸面である第２の表面３２は、単なる回
転放物面ではなく、屈折による集光パワーを考慮した回
転非球面とされている。

【００５２】第４の実施形態である集光光学素子４の構
成と、その集光作用を図４に模式的に示す。この集光光
学素子４は、第２の実施形態の集光光学素子２の透明基
材２０に代えて、形状の異なるＢＫ７ガラス製の透明基
材４０を備えたものである。透明基材４０は平面である
第１の表面４１と凸面である第２の表面４２を有してお
り、１／４波長膜５４は第１の表面４１に、直線偏光選
択反射膜５５は第２の表面４２に設けられている。ま
た、開口５２を有するアルミニウム製の反射膜５１は１
／４波長膜５４の表面に設けられている。

【００５３】本実施形態の集光光学素子４でも、集光パ
ワーを有する面が相違するだけで、集光の原理は集光光
学素子２と同様である。したがって、矢印Ａで示すよう
に、反射膜５１の開口５２を通して光を第１の表面４１
から入射させる第１の方法と、矢印Ｂで示すように、第
２の表面４２から光を入射させる第２の方法を使用する
ことが可能である。入射光としては、前述のように、第
１の使用方法では１／４波長膜５４によって選択反射膜
５５で反射される直線偏光となる円偏光を、第２の使用
方法では選択反射膜５５を透過する直線偏光を用いる。

【００５４】透明基材４０の第２の表面４２は、第３の
実施形態の集光光学素子３と同様に、反射による集光パ
ワーに屈折による集光パワーが加わることを考慮して、
単なる回転放物面ではない回転非球面とされている。第
１の方法で使用すれば、第１の表面４１から僅かに離れ
た点Ｑからの発散光を平行光または平行光に近い光束と
することができ、第２の方法で使用すれば平行光または
平行光に近い光束を点Ｑに収束させることができる。

【００５５】上記の各実施形態の集光光学素子１〜４で
は、点Ｐや点Ｑの位置を第１の表面から小距離だけ離れ
た外側に設定することにより、高いＮＡでの集光を可能
としている。点Ｐ、Ｑの位置は、第１の表面や第２の表
面の曲率すなわち集光パワーおよび第１の表面と第２の
表面の距離の設定次第で任意に設定することが可能であ
り、点Ｐ、Ｑの位置を第１の表面上に設定すると各集光
光学素子はＳＩＭとなる。また、これらの集光光学素子
１〜４では、図８、９に示した従来の集光光学素子とは
異なり、一旦入射した光が入射面側から出射したり、入
射前に光が遮られたりすることがないため、与えられる
光のほとんど全てを利用することができる。

【００５６】なお、各実施形態では、透明基材の第１の
表面および第２の表面の一方のみに集光パワーをもたせ
たが、第１の表面と第２の表面の双方を凸面とし、これ
ら２つの面に集光パワーをもたせるようにしてもよい。
また、透明基材の対向する２つの面を第１の表面および
第２の表面としたが、必ずしも第１の表面と第２の表面
が対向する構成とする必要はない。例えば、平面である
第２の表面を凸面である第１の表面の光軸と平行に設定
し、第１の表面の光軸と４５゜の角度で交差する反射面
を追加して、第１の表面と第２の表面との間で光路を９
０゜折り曲げる構成とすることができる。

【００５７】また、１／４波長膜５４と直線偏光選択反
射膜５５を用いる第２の実施形態および第４の実施形態
では、透明基材の第１の表面と第２の表面のうち平面で
あるものに１／４波長膜を設けるようにしたが、凸面の
表面に１／４波長膜を設けるようにしてもよい。１／４
波長膜は、反射膜と直線偏光選択反射膜の間であれば、
どこに配置してもかまわない。

【００５８】さらに、ここでは、本発明の集光光学系を
単一の素子で実現した例を示したが、別個な２つの部材
の表面を第１の表面および第２の表面としてもよい。そ
の場合、１／４波長膜と直線偏光選択反射膜を用いる構
成では、１／４波長膜を第１の表面と第２の表面の間の
任意の位置に配設することができる。

【００５９】本発明の集光光学系の適用例である第５の
実施形態の光記録装置について説明する。本実施形態の
光記録装置５の要部の構成を図５に示す。光記録装置５
は、相変化記録層を有する光ディスクＤへの信号の書き
込み（記録）と光ディスクＤからの信号の読み出し（再
生）を行うものであり、第１のピックアップユニット６
０、第２のピックアップユニット７０、および光ディス
クＤを回転させるスピンドルモータ７５を有する。

【００６０】第１のピックアップユニット６０は、光源
６１、コリメートレンズ６２、偏光分離（ＰＢＳ）プリ
ズム６３、１／４波長板６４、反射ミラー６５、対物レ
ンズ６６、アクチュエータ６７、集光レンズ６８、およ
び受光素子６９を備えており、記録と再生に兼用され
る。光源６１はレーザーダイオードであり、偏光面が一
定の直線偏光を射出する。コリメートレンズ６２は光源
６１からの光を平行光として、ＰＢＳプリズム６３に導
く。コリメートレンズ６２の光軸は光ディスクＤに平行
である。

【００６１】ＰＢＳプリズム６３は２つの直角プリズム
を接合して成り、接合面にＰＢＳ膜６３ａを有する。Ｐ
ＢＳ膜６３ａは、Ｐ偏光として入射する直線偏光を透過
させ、Ｓ偏光として入射する直線偏光を反射するもので
あり、コリメートレンズ６２の光軸に対して４５゜傾け
て配置されている。光源６１は、射出する直線偏光がＰ
ＢＳ膜６３ａに対してＰ偏光となるように設定されてい
る。

【００６２】１／４波長板６４は、直線偏光を円偏光に
変換し、円偏光を直線偏光に変換する。反射ミラー６５
はコリメートレンズ６２の光軸に対して４５゜傾けて配
置されており、コリメートレンズ６２の光軸を折り曲げ
て光ディスクＤに対して垂直にする。反射ミラー６５は
ユニット６０を小型にするために備えられたものであ
り、ユニット６０の本質的な機能には関与しない。

【００６３】対物レンズ６６は、光軸が光ディスクＤに
対して垂直になるように配置されており、反射ミラー６
５によって折り曲げられたコリメートレンズ６２の光軸
は対物レンズ６６の光軸に一致する。対物レンズ６６は
アクチュエータ６７に保持されており、アクチュエータ
６７によって光軸方向に駆動される。これにより、対物
レンズ６６から光ディスクＤの記録層までの距離の調
節、すなわち記録層に対する対物レンズ６６の焦点調節
を行うことができる。なお、ユニット６０全体は、不図
示のアクチュエータによって光ディスクＤの半径方向に
駆動されるように構成されており、光ディスクＤの任意
のトラックの上に対物レンズ６６の光軸を位置させるこ
とができる。

【００６４】集光レンズ６８は、その光軸がＰＢＳ膜６
３ａにより折り曲げられたコリメートレンズ６２の光軸
と一致するように配置されており、ＰＢＳ膜６３ａから
の平行光を収束光として受光素子６９に導く。受光素子
６９は受けた光を電気信号に変換して、増幅器等を含む
不図示の信号処理回路に出力する。

【００６５】光源６１からの光は、コリメートレンズ６
２によって平行光とされてＰＢＳ膜６３ａに入射し、Ｐ
偏光であるからＰＢＳ膜６３ａを透過する。ＰＢＳ膜６
３ａを透過した光は、１／４波長板６４を透過すること
により直線偏光から円偏光となり、反射ミラー６５によ
って反射されて、対物レンズ６６に導かれる。円偏光で
あるこの平行光は対物レンズ６６によって収束光として
光ディスクＤに照射され、光ディスクＤの相変化記録層
に微小径のスポットを形成する。これにより、第１のピ
ックアップユニット６０は光ディスクＤへの信号の記録
を行うことができる。

【００６６】光ディスクＤの相変化記録層に微小径のス
ポットを形成した光は、反射されて光路を逆に辿り、Ｐ
ＢＳ膜６３ａに達する。光ディスクＤによって反射され
た円偏光は回転方向が逆の円偏光となっており、１／４
波長板６４を透過することにより、ＰＢＳ膜６３ａに対
してＳ偏光の直線偏光となる。この直線偏光はＰＢＳ膜
６３ａで反射され、集光レンズ６８によって受光素子６
９に導かれる。これにより、第１のピックアップユニッ
ト６０は光ディスクＤからの信号の再生を行うことがで
きる。

【００６７】相変化記録層を有する光ディスクＤとし
て、超解像を利用したものを使用することも可能であ
る。超解像を利用する光ディスクは、一般に、相変化記
録層への光の入射側にマスク層を有する。このマスク層
は、光を受けると、そのエネルギーにより、受けた光の
中央部のみを透過させるように作用し、マスク層がない
場合に微細径の光が形成するスポットよりも、さらに小
さな径のスポットを形成することができる。したがっ
て、第１のピックアップユニット６０は、このままの構
成で、超解像を利用した光ディスクＤに信号を記録する
ことができる。

【００６８】しかしながら、超解像を利用した光ディス
クからの反射光はＳ／Ｎ比が小さいため、対物レンズ６
６から受光素子６９までの構成では、再生を正確に行う
ことは困難である。本実施形態の光記録装置５では、超
解像を利用した光ディスクからの信号の再生も可能にす
るために、第２のピックアップユニット７０を備えてい
る。

【００６９】第２のピックアップユニット７０は、光デ
ィスクＤに関して第１のピックアップユニット６０と反
対側に配置されており、光ディスクＤを透過した光を検
出する。ユニット７０は再生専用であり、集光光学素子
７１、集光レンズ７２、および受光素子７３を備える。
集光光学素子７１と集光レンズ７２は、互いの光軸が一
致しかつ光ディスクＤに対して垂直になるように配置さ
れている。また、ユニット７０は、不図示のアクチュエ
ータによって、光ディスクＤの半径方向に駆動される。
ユニット７０の駆動はユニット６０の駆動と同期をとっ
て同じ量だけ行われ、集光光学素子７１と集光レンズ７
２の光軸は対物レンズ６６の光軸と常に一致する。

【００７０】第２のピックアップユニット７０に備える
集光光学素子７１は、本発明の集光光学系を適用したも
のであり、具体的には、前述の第１〜第４の実施形態の
集光光学素子１〜４のいずれかである。集光光学素子７
１は第１の方法、すなわち反射膜５１の開口５２を通し
て光を入射させる方法で使用する。図５においては、代
表例として、集光光学素子１を備えた構成を示している
が、集光光学素子７１として集光光学素子２〜４を備え
る構成でも使用方法は同じである。

【００７１】集光光学素子７１は、前述の点Ｐあるいは
点Ｑが光ディスクＤの記録層近傍に位置するように、光
ディスクＤに近接して配置されている。また、集光光学
素子７１のコレステリック液晶膜５３または直線偏光選
択反射膜５５は、光ディスクＤを透過して入射した光を
反射するように、ユニット６０から照射される円偏光の
回転方向を考慮して設定されている。

【００７２】ユニット６０の対物レンズ６６から収束光
として照射された円偏光は、光ディスクＤの相変化記録
層を透過して、集光光学素子７１に入射し、平行光また
は平行光に近い光束となって集光光学素子７１から出射
する。この光は集光レンズ７２によって収束光とされ
て、受光素子７３に導かれる。受光素子７３は受けた光
を電気信号に変換して、増幅回路を含む不図示の信号処
理回路に出力する。これにより、第２のピックアップユ
ニット７０は光ディスクＤからの信号の再生を行うこと
ができる。

【００７３】集光光学素子７１はＮＡが高く、また光デ
ィスクＤに近接して配置されているため、光ディスクＤ
の記録層を透過した光の大部分を受けて集光させること
が可能である。超解像を利用した光ディスクＤの相変化
記録層の透過側にはマスク層は設けられておらず、透過
光のＳ／Ｎ比は比較的高い。したがって、透過光を検出
する第２のピックアップユニット７０を備える光記録装
置５は、超解像を利用した光ディスクＤの再生に好適で
ある。

【００７４】なお、集光光学素子７１は記録層を透過し
た光の大部分を受けることが可能であればよく、点Ｐ、
Ｑが厳密に記録層上に位置する必要はない。このため、
集光光学素子７１には焦点調節用のアクチュエータは備
えられていない。

【００７５】本発明の集光光学系の別の適用例である第
６の実施形態の露光装置について説明する。本実施形態
の露光装置６の要部の構成を図６に示す。露光装置６
は、ディスクの原盤Ｇの表面にトラッキング用のサーボ
パターンを描くためのものであり、光源ユニット８０お
よびディスクの原盤Ｇを回転させるスピンドルモータ８
８を有する。原盤Ｇはガラス製であり、表面にレジスト
剤が塗布されている。

【００７６】光源ユニット８０は、光源８１、コリメー
トレンズ８２、１／４波長板８４、反射ミラー８５、集
光光学素子８６、およびアクチュエータ８７を備えてい
る。光源８１はレーザーダイオードであり、短波長で偏
光面が一定の直線偏光を射出する。光源８１の発光は、
原盤Ｇの回転に同期して制御される。コリメートレンズ
８２から反射ミラー８５までの構成は、第５の実施形態
の光記録装置５のコリメートレンズ６２から反射ミラー
６５までの構成からＰＢＳプリズム６３を除いたものと
同様であり、重複する説明は省略する。

【００７７】集光光学素子８６は、光軸が原盤Ｇに対し
て垂直になるように配置されており、反射ミラー８５に
よって折り曲げられたコリメートレンズ８２の光軸は集
光光学素子８６の光軸に一致する。集光光学素子８６は
アクチュエータ８７に保持されており、アクチュエータ
８７によって光軸方向に駆動される。これにより、原盤
Ｇに対する集光光学素子８６の焦点調節を行うことがで
きる。

【００７８】図示しないが、光源ユニット８０には、光
の干渉を利用して集光光学素子８６から原盤Ｇの表面ま
での距離を検出し、アクチュエータ８７を制御して集光
光学素子８６から原盤Ｇの表面までの距離を常時一定に
保つ距離制御装置が備えられている。なお、光源ユニッ
ト６０全体は、不図示のステージに搭載されており、原
盤Ｇの半径方向に精密に駆動される。これにより、正確
にサーボパターンを描くことができる。

【００７９】集光光学素子８６は、本発明の集光光学系
を適用したものであり、具体的には、前述の第１〜第４
の実施形態の集光光学素子１〜４のいずれかである。集
光光学素子８６は第２の方法、すなわち第２の表面から
光を入射させる方法で使用する。図６においては、代表
例として、集光光学素子１を備えた構成を示している
が、集光光学素子８６として集光光学素子２〜４を備え
る構成でも使用方法は同じである。

【００８０】コレステリック液晶膜５３を設けた集光光
学素子１、３を集光光学素子８６として備えるときは、
１／４波長板８４を透過することにより円偏光になった
光源８１からの光を透過させるように、コレステリック
液晶膜５３を設定する。１／４波長膜５４と直線偏光選
択反射膜５５を設けた集光光学素子２、４を集光光学素
子８６として備えるときは、１／４波長板６４を省略す
るとともに、光源８１からの直線偏光を透過させるよう
に、直線偏光選択反射膜５５を設定する。

【００８１】集光光学素子８６は、前述の点Ｐあるいは
点Ｑが原盤Ｇの表面に位置するように、原盤Ｇに近接し
て配置されている。集光光学素子８６は高いＮＡを有す
るから、高いエネルギーの光を微小なスポットとして原
盤Ｇの表面に照射させることが可能であり、また、小型
軽量であるため、アクチュエータ８７による駆動すなわ
ち焦点調節を迅速に行うことができる。したがって、露
光装置６は、能率よくディスクの原盤Ｇにサーボパター
ンを描くことができる。

【００８２】なお、第５の実施形態の光記録装置５や第
６の実施形態の露光装置６では、光源８１としてレーザ
ーダイオードを使用して偏光面の揃った直線偏光を射出
するようにしているが、無偏光を発する他の種類の光源
を使用することも可能である。その場合、無偏光を直線
偏光とする手段を備える。ただし、単に不要な偏光成分
を除去する偏光板のような手段ではなく、無偏光を全て
一定の直線偏光に変換する手段を備えるのが、光の利用
効率の観点から好ましい。

【００８３】

【発明の効果】本発明の集光光学系は、高いＮＡで集光
を行うことが可能である上、与えられる光をほとんど全
て利用することができる。しかも、第１の面または第２
の面を平面とすることで、これら２つの面の光軸を一致
させる調整を不要とすることができて、製造効率も高く
なる。

【００８４】また、本発明の集光光学系の使用方法は、
平行光または平行光に近い光束を収束光としたり、発散
光を平行光または平行光に近い光束としたりすることが
できるから、微小径のスポットを形成する用途や、微小
部位からの光を検出する用途に適する。これにより、本
発明の集光光学系を光記録装置のピックアップユニット
に適用して、記録媒体への光の照射と記録媒体からの光
の検出の双方に、利用することができるようになる。

【００８５】上記の特長を有する集光光学系を単一の素
子として実現した本発明の集光光学素子は、きわめて簡
素な構成であり、小型化および軽量化が容易である。し
たがって、高速での移動が必要とされる光記録装置のピ
ックアップユニットに好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態の集光光学素子の構成と集光
作用を模式的に示す図。

【図２】 第２の実施形態の集光光学素子の構成と集光
作用を模式的に示す図。

【図３】 第３の実施形態の集光光学素子の構成と集光
作用を模式的に示す図。

【図４】 第４の実施形態の集光光学素子の構成と集光
作用を模式的に示す図。

【図５】 第５の実施形態の光記録装置の要部の構成を
示す図。

【図６】 第６の実施形態の露光装置の要部の構成を示
す図。

【図７】 従来の集光光学系の構成を示す図。

【図８】 従来の別の集光光学系の構成と集光作用を示
す図。

【図９】 従来のさらに別の集光光学系の構成と集光作
用を示す図。

【符号の説明】

１、２、３、４ 集光光学素子 １０、２０、３０、４０ 透明基材 １１、２１、３１、４１ 第１の表面 １２、２２、３２、４２ 第２の表面 ５１ 反射膜 ５２ 開口 ５３ コレステリック液晶膜 ５４ １／４波長膜 ５５ 直線偏光選択反射膜 ５ 光記録装置 ６０ 第１のピックアップユニット ６１ 光源 ６２ コリメートレンズ ６３ ＰＢＳプリズム ６３ａ ＰＢＳ膜 ６４ １／４波長板 ６５ 反射ミラー ６６ 対物レンズ ６７ アクチュエータ ６８ 集光レンズ ６９ 受光素子 ７０ 第２のピックアップユニット ７１ 集光光学素子 ７２ 集光レンズ ７３ 受光素子 ６ 露光装置 ８０ 光源ユニット ８１ 光源 ８２ コリメートレンズ ８４ １／４波長板 ８５ 反射ミラー ８６ 集光光学素子 ８７ アクチュエータ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の面と第２の面を有し、第１の面と
   第２の面の少なくとも一方の集光パワーによって第１の
   面と第２の面を透過する光を集光する集光光学系におい
   て、 第１の面が光を透過させる開口部を有する反射面であ
   り、 第２の面が回転方向の異なる２つの円偏光の一方を透過
   させるとともに、他方を反射してその回転方向を保つ反
   射面であることを特徴とする集光光学系。
2. 【請求項２】 第１の面と第２の面を有し、第１の面と
   第２の面の少なくとも一方の集光パワーによって第１の
   面と第２の面を透過する光を集光する集光光学系におい
   て、 第１の面が光を透過させる開口部を有する反射面であ
   り、 第２の面が偏光面の直交する２つの直線偏光の一方を透
   過させ、他方を反射する反射面であって、 直線偏光を円偏光に変換し、円偏光を直線偏光に変換す
   る変換手段を第１の面と第２の面の間に備えることを特
   徴とする集光光学系。
3. 【請求項３】 偏光を第１の面の開口部から入射させ
   て、第２の面と第１の面で順に反射させ、第２の面から
   出射させることを特徴とする請求項１または請求項２に
   記載の集光光学系の使用方法。
4. 【請求項４】 偏光を第２の面から入射させて、第１の
   面と第２の面で順に反射させ、第１の面の開口部から出
   射させることを特徴とする請求項１または請求項２に記
   載の集光光学系の使用方法。
5. 【請求項５】 光を透過させて集光する集光光学素子に
   おいて、 第１の表面と第２の表面を有し、第１の表面と第２の表
   面の少なくとも一方が凸面である透明基材と、 透明基材の第１の表面に設けられ、光を透過させる開口
   部を有する反射膜と、 透明基材の第２の表面に設けられたコレステリック液晶
   膜と を備えることを特徴とする集光光学素子。
6. 【請求項６】 光を透過させて集光する集光光学素子に
   おいて、 第１の表面と第２の表面を有し、第１の表面と第２の表
   面の少なくとも一方が凸面である透明基材と、 透明基材の第１の表面に設けられ、光を透過させる開口
   部を有する反射膜と、 透明基材の第２の表面に設けられ、偏光面が直交する２
   つの直線偏光の一方を透過させ他方を反射する直線偏光
   選択反射膜と、 透明基材の第１の表面と反射膜との間または透明基材の
   第２の表面と直線偏光選択反射膜との間に設けられた１
   ／４波長膜とを備えることを特徴とする集光光学素子。