JP2004185746A - 光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及びレンズ - Google Patents
光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及びレンズ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系において、簡易な構成で集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正することが可能であり、光透過率に対する形状の製造誤差の影響が小さく、さらに、光透過率の波長依存性が小さい光ピックアップ装置用光学系を提供する。
【解決手段】カップリングレンズCULは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移される。所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して補正する
【選択図】 図1
【解決手段】カップリングレンズCULは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移される。所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して補正する
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及びレンズに関し、特に、高密度な光情報記録又は再生を達成できる光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及びレンズに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光ディスクはCD(コンパクトディスク)またはDVD(デジタルバーサタイルディスク)で知られているように、音楽情報、映像情報の蓄積またはコンピューターデータの保存といった、デジタルデータの保存に広く使われている。更に、近年、情報化社会の到来とともに、これらの光ディスクの大容量化が強く求められているという実情がある。
【0003】
ここで、光ディスクにおいて、単位面積あたりの記録容量(記録密度)の向上は、光ピックアップ装置用光学系から得られる集光スポットのスポット径を小さくすることで実現できる。このスポット径は、周知のようにλ/NA(ただし、λは光源の波長、NAは対物レンズの開口数)に比例するので、スポット径を小さくためには、光ピックアップ装置で使用される光源の短波長化、及び光ディスクに対向して配置される対物レンズの高開口数化が有効である。
【0004】
このうち、光源の短波長に関しては、波長400nm程度のレーザ光を発生する青紫色半導体レーザの研究が進展を見せており、その実用化も近いといえる。ここで、光ピックアップ装置では、一般的に情報の再生時のレーザパワーよりも記録時のレーザパワーの方が大きいため、再生から記録に切り替える際に出力変化により中心波長が瞬時的に数nmとぶ、モードホッピング現象を起こす場合がある。かかるモードホッピング現象に起因して発生するフォーカス位置ずれは、対物レンズをフォーカシングすることで除去できるが、対物レンズがフォーカシングするまでの数nsecの間は、フォーカス位置ずれによる記録不良等の不具合が生じる。このフォーカス位置ずれは、光源波長が短くなるほど大きくなるので、光源波長が短くなるほどモードホッピング現象に起因した波面収差劣化は大きくなる。以上の理由から青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置では、波長変化に対する集光スポットのフォーカス位置ずれの補正が必要とされる。
【0005】
かかる課題に対し、光学面上に輪帯状の回折パターンを形成し、かかる回折パターンの回折作用により軸上色収差を補正することで、波長変化に対するフォーカス位置ずれを小さく抑えた、青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置用の対物レンズが以下の特許文献1に記載されている。
【特許文献1】
特開平9−311271号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、特許文献1に記載されているように、対物レンズの光学面上に輪帯状の回折パターンを形成することは、青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置用の対物レンズにおいて、高開口数化を達成するために曲率半径が小さくした場合に、シェーディングの影響による光透過率の低下を招くという新たな問題を引き起こす。
【0007】
これに対し、大きな開口数を必要とせず光学面の曲率半径を大きく確保できる(すなわち、光透過率に対するシェーディングの影響が小さい)カップリングレンズ等の、光源と対物レンズとの間の光路中に配置される光学素子に、対物レンズの軸上色収差を補正するための輪帯状の回折パターンを形成することもできる。本発明者は先に、青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置用の光学系において、光源からの発散光束の発散角を変換し対物レンズに導くためのカップリングレンズの光学面上に輪帯状の回折パターンを形成し、かかる回折パターンの回折作用によりカップリングレンズの軸上色収差を補正過剰にすることで、対物レンズの軸上色収差を相殺補正して、カップリングレンズを介して対物レンズにより集光された集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを小さく抑えた光ピックアップ装置用光学系を提案した(特許文献2参照)。
【特許文献2】
特開2002−303788号公報
【0008】
ところが、青紫色半導体レーザの波長の光束に対して、対物レンズの軸上色収差を補正することで集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折パターンを利用して小さく抑える場合、輪帯構造の光軸に垂直な方向の幅が小さくなり、輪帯の総数が増加するので、金型加工が困難となり、また、成形時の転写性の劣化が大きくなるという問題がある。かかる転写性の劣化は、回折効率、すなわち光透過率の低下につながる。さらに、輪帯の総数が増加すると、金型加工に要する時間が増大するので、結果としてかかる回折パターンをその光学面上に有するレンズのコストが上昇してしまう。これに対し、2次以上の高次の回折光が発生するように輪帯構造を形成することで、かかる問題を緩和することは可能であるが、この場合、回折効率の波長依存性が大きくなるので、製造誤差により基準となる波長から波長がばらついた半導体レーザ光源を使用すると光透過率が低下し、光検出器において十分な信号強度を得ることができないという問題がある。
【0009】
本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系において、簡易な構成で集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正することが可能であり、光透過率に対する形状の製造誤差の影響が小さく、さらに、光透過率の波長依存性が小さい光ピックアップ装置用光学系を提供することを目的とする。また、この光ピックアップ装置用光学系を使用する光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することも本発明の目的である。
【0010】
本発明は、さらに、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系に好適なレンズであって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、対物レンズと組み合わせて使用することで、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを良好に補正することができるレンズを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の光ピックアップ装置用光学系は、入射光束の発散角を変換するカップリングレンズと、前記カップリングレンズからの光束を集光する対物レンズとを備えた光ピックアップ装置用光学系において、
前記カップリングレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、
前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、次式を満たすことを特徴とする。
|ΔFOBJ|>|ΔFOS| (1)
【0012】
図1は、本発明に係わる光ピックアップ装置用光学系OSの断面図である。光ピックアップ装置用光学系OSは、図1に示すように、図示しない青紫色半導体レーザ光源から射出された発散光束の発散角を変換するためのカップリングレンズCULと、このカップリングレンズCULを介した光束を光ディスクODの保護層DPを介して情報記録面DR上に集光する対物レンズOBJとから構成されている。
【0013】
カップリングレンズCULの対物レンズ側の光学面は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側(光軸から遠い側)の輪帯を通過した光束の光路長が、内側(光軸に近い側)の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移(図では変移を実際より誇張して示している)されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造が形成されている。
【0014】
この輪帯構造の作用により、光ピックアップ装置用光学系OSは、対物レンズOBJに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、対物レンズOBJに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、対物レンズOBJに前記所定の波長の光束をカップリングレンズCULを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、対物レンズOBJに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、上記(1)式を満たし、その結果、カップリングレンズCULを介して対物レンズOBJにより集光された集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれが小さく抑えられる。
【0015】
カップリングレンズCULに形成された輪帯構造による、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれの補正の原理について図を用いて説明する。図2は、対物レンズOBJに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合(点線で示す)と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合(太線で示す)の透過波面の様子を表すグラフであり、横軸が瞳半径を表し、縦軸が光路差を表す。図2に示すように、対物レンズOBJに対して波長λ+Δλ(nm)の光束が入射すると、対物レンズOBJの軸上色収差に起因して波面が変化し、フォーカス位置(細線で示す)がずれる。
【0016】
一方、図3は、カップリングレンズCULに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合(点線で示す)と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合(太線で示す)の、カップリングレンズCULの透過波面の様子を示すグラフである。カップリングレンズCULに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合には、隣接する輪帯同士の光路差は波長の整数倍であるので、透過波面は無収差であるが、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合には、波長変化と、それに伴う屈折率の変化により、隣接する輪帯同士の光路差が波長の整数倍からずれるので、カップリングレンズCULの透過波面には、図3で太線で示すように階段状の光路差が付加される。すなわち、図1に示すように、外側(光軸から遠い側)の輪帯は内側(光軸に近い側)の輪帯よりも光路長が長くなるように、その境界において光軸方向に変移されているので、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合にカップリングレンズCULの透過波面に付加される光路差の符号は、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合に対物レンズOBJの透過波面に付加される光路差とは逆符号となる。
【0017】
その結果、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合の、カップリングレンズCULの透過波面の光路差により、対物レンズOBJの透過波面の光路差を打ち消すことが出来、図4に示されるように、カップリングレンズCULと対物レンズOBJとを透過した波面は、巨視的にみると光路差のない波面(太線で示す)となり、カップリングレンズCULの輪帯構造により、カップリングレンズCULを介して対物レンズOBJにより集光された、波長λ+Δλ(nm)の光束の集光スポットのフォーカス位置ずれ(細線で表す)が小さく抑えられる。
【0018】
尚、本明細書において、「フォーカス位置」とは、瞳全体の波面の形状を考慮して測定或いは計算される波面収差が最小となる結像位置を指し、「バックフォーカス」や「軸上色収差」などの近軸量から求まる結像位置とは区別するものとする。
【0019】
また、上述したように、シェーディングの影響による光透過率の低下が大きくなるため、高開口数化を達成するために曲率半径が小さくなりがちな、対物レンズOBJの光学面上に集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正するための輪帯構造を形成するのは好ましくない。これに対して、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSは、大きな開口数を必要とせず光学面の曲率半径を大きく確保できるカップリングレンズCULに集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正するための輪帯構造を形成したので、シェーディングの影響による光透過率の低下が少ない。
【0020】
請求項2に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3)
【0021】
カップリングレンズCULに形成された輪帯構造は、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合に隣接する輪帯同士の光路差は波長の整数倍となるように、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量Δi(μm)(図1参照)が決定されているが、これは、輪帯構造の段差が上記(2)、(3)式の条件を満足することと等価である。尚、本明細書中で用いる「設計波長」とは、光学素子に対して倍率、温度、入射光束径等、全く同じ条件で様々な波長の光を入射させた場合に、収差が最小となる波長をいうものとする。
【0022】
請求項3に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする。
mj≠mi (6)
【0023】
請求項4に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすと、前記カップリングレンズを成形する金型を製造しやすくなるので好ましい。
50μm>Δi>3μm (7)
【0024】
請求項5に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯の総数が3以上30以下であると、前記カップリングレンズの光透過率の低下を抑制し、又前記カップリングレンズを成形する金型を製造しやすくなるので好ましい。
【0025】
請求項6に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記カップリングレンズの設計波長が500nm以下であると、高密度な情報記録及び/又は再生が可能な光ピックアップ装置に好適となる。
【0026】
請求項7に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量と、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスの移動量と、が略一致していることを特徴とする。上述したように、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSは、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して補正する場合のように、対物レンズOBJのバックフォーカス(軸上色収差)を補正するのではなく、カップリングレンズCULに形成した輪帯構造の作用により、カップリングレンズCULと対物レンズOBJとを透過した波面の光路差を図4に示すように、巨視的に変化させることで集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正するのである。
【0027】
請求項8に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造は、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であると、前記カップリングレンズの設計や、それを成形する金型の製造が容易になるので好ましい。前記カップリングレンズは、前記対物レンズのように大きな開口数を必要としないので、1つの光学面を平面としても、その光学性能が極端に劣化することはない。尚、階段状とは、例えば光軸に対して直交する面と、光軸とに平行な面とで構成された状態をいう。
【0028】
請求項9に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造は、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状であると、より高性能なカップリングレンズを得ることができるので好ましい。
【0029】
請求項10に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記対物レンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、その光学面に形成していないので、高開口数化を達成するために曲率半径を小さくした場合にも、シェーディングの影響がないので光透過率の低下を抑制できる。
【0030】
以上のように決定された輪帯構造が形成されたカップリングレンズCULを備えた、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSは、特許文献1及び2に開示されている技術のように、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して補正する場合に問題となる課題をすべて解決し、以下に述べるような効果を有する。
【0031】
第1に、特許文献1又は2に開示されているの技術のように、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して解消するのではないので、成形時の輪帯構造の転写性の劣化に起因する不要次数の回折光発生による光透過率の低下、という問題がない。さらに、回折パターンのような光透過率の波長依存性がなくなるので、製造誤差により設計波長から波長がばらついた半導体レーザ光源を使用した場合でも、光透過率が変化することがない。
【0032】
第2に、例えば光源として用いる青紫色半導体レーザの波長の光に対して、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正した場合でも、輪帯の総数はそれほど多くならないので、輪帯の光軸に垂直な方向の幅Pi(図1参照)を大きく確保できる。そのため、金型加工が容易で、かつに金型加工に要する時間が少なくてすむ。
【0033】
なお、光学特性の対称性により、設計波長λ(nm)に対し、Δλ(nm)だけ短い波長λ−Δλ(nm)の光束が入射した場合における各波面は、図2〜4において、設計波長λ(nm)の波面(点線)に関して、波長λ+Δλ(nm)における波面(太線)と略対称の関係となり、上述した原理により、波長λ+Δλ(nm)に対するフォーカス位置ずれを補正する場合と同様に、波長λ−Δλ(nm)に対するフォーカス位置ずれも補正できるのはいうまでもない。
【0034】
請求項11に記載の光ピックアップ装置は、
光源と、前記光源から射出された光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させる光ピックアップ装置用光学系とを備えた光ピックアップ装置において、
前記光ピックアップ装置用光学系は、入射した前記光源からの光束の発散角を変換するカップリングレンズと、前記カップリングレンズからの光束を集光する対物レンズとを備え、
前記カップリングレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、
前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、次式を満たすことを特徴とする。
|ΔFOBJ|>|ΔFOS| (1)
本発明の作用効果は、請求項1に記載の作用効果と同様である。
【0035】
請求項12に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3)
本発明の作用効果は、請求項2に記載の作用効果と同様である。
【0036】
請求項13に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする。
mj≠mi (6)
【0037】
請求項14に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすことを特徴とする。
50μm>Δi>3μm (7)
本発明の作用効果は、請求項4に記載の作用効果と同様である。
【0038】
請求項15に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯の総数が3以上30以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項5に記載の作用効果と同様である。
【0039】
請求項16に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの設計波長が500nm以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項6に記載の作用効果と同様である。
【0040】
請求項17に記載の光ピックアップ装置は、前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量と、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスの移動量と、が略一致していることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項7に記載の作用効果と同様である。
【0041】
請求項18に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造が、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項8に記載の作用効果と同様である。
【0042】
請求項19に記載の光ピックアップ装置は、前記輪帯構造が、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状である。本発明の作用効果は、請求項9に記載の作用効果と同様である。
【0043】
請求項20に記載の光ピックアップ装置は、前記対物レンズが、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、その光学面に形成していないことを特徴とする。
【0044】
請求項21に記載の光ピックアップ装置は、請求項11乃至20のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置と、光情報記録媒体を、前記光ピックアップ装置により情報の記録及び/又は再生が可能に支持する光情報記録媒体支持手段と、を有することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項1に記載の作用効果と同様である。
【0045】
請求項22に記載のレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記所定の波長とは10nm内の所定の波長差だけ長い波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFとしたとき、次式を満たすことを特徴とする。
ΔF<0 (8)
【0046】
ここで、前記レンズのフォーカス位置の波長依存性を図5に示す。前記レンズは、所定の波長(図5の場合は、設計波長λ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置に対して、所定の波長の光束とは、10nm内の所定の波長差だけ長い波長(図5の場合は、λ+Δλ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置は前記レンズに近い側に移動し、所定の波長の光束とは、10nm内の所定の波長差だけ短い波長(図5の場合は、λ−Δλ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置は前記レンズから遠い側に移動するようなフォーカス位置の波長依存性を有する。すなわち、所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記所定の波長とは10nm内の所定の波長差だけ長い波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFとしたとき、上記(8)式を満たすのである。尚、上記(8)式において、前記レンズのフォーカス位置の移動量の符号は、前記所定の波長(図5の場合は、設計波長λ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置を基準として、前記レンズに近づく方向に移動する場合を負、前記レンズから遠ざかる方向に移動する場合を正と定義する。
【0047】
請求項23に記載のレンズは、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記レンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3)
本発明の作用効果は、請求項2に記載の作用効果と同様である。
【0048】
請求項24に記載のレンズは、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記レンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする。
mj≠mi (6)
本発明の作用効果は、請求項3に記載の作用効果と同様である。
【0049】
請求項25に記載のレンズは、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすことを特徴とする。
50μm>Δi>3μm (7)
本発明の作用効果は、請求項4に記載の作用効果と同様である。
【0050】
請求項26に記載のレンズは、前記輪帯の総数が3以上30以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項5に記載の作用効果と同様である。
【0051】
請求項27に記載のレンズは、設計波長λ(nm)が500nm以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項6に記載の作用効果と同様である。
【0052】
請求項28に記載のレンズは、前記レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量が略ゼロであることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項7に記載の作用効果と同様である。
【0053】
請求項29に記載のレンズは、前記輪帯構造は、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項8に記載の作用効果と同様である。
【0054】
請求項30に記載のレンズは、前記輪帯構造は、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項9に記載の作用効果と同様である。
【0055】
請求項31に記載のレンズは、光ピックアップ装置用光学系において、入射光束の発散角を変換して対物レンズに入射させるためのカップリングレンズとして使用されることで、より高密度な情報の記録及び/又は再生を実現できる。
【0056】
尚、本明細書において、カップリングレンズとは、入射光束の発散角を変換して対物レンズに導くレンズを指し、入射する発散光束をより弱い発散光束に変換するものや、入射する発散光束を収斂光束に変換するものや、入射する発散光束を平行光束に変換するものも含む。その形態としては、1つのレンズから構成されていてもよいし、複数枚のレンズから構成されていてもよい。また、図1の光ピックアップ装置用光学系OSにおけるカップリングレンズCULでは、対物レンズOBJ側の光学面上に輪帯構造を形成しているが、かかる輪帯構造は、光源側の光学面上に形成されても良いし、2つ以上の複数の光学面上に形成されても良い。何れの場合も、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを小さく抑えることが可能となる。
【0057】
また、本明細書において、対物レンズとは、狭義には光ピックアップ装置に光情報記録媒体(光ディスク)を装填した状態において、最も光情報記録媒体側の位置で、これと対向すべく配置される集光作用を有するレンズを指し、広義にはそのレンズとともに、アクチュエータによって少なくともその光軸方向に駆動されるレンズを指すものとする。従って、本明細書において、対物レンズの開口数とは光情報記録媒体側の開口数であって、それぞれの光情報記録媒体の規格で規定されている開口数、あるいは、それぞれの光情報記録媒体に対して、使用する光源の波長に応じ、情報の記録/再生をするために必要なスポット径を得ることができる、回折限界性能を有する開口数を指すものとする。
【0058】
また、本明細書において、情報の記録とは、上記のような光情報記録媒体の情報記録面上に情報を記録することをいう。また、本明細書において、情報の再生とは、上記のような光情報記録媒体の情報記録面上に記録された情報を再生することをいう。本発明による対物レンズは、記録だけあるいは再生だけを行うために用いられるものであってもよいし、記録および再生の両方を行うために用いられるものであってもよい。また、ある光情報記録媒体に対しては記録を行い、別の光情報記録媒体に対しては再生を行うために用いられるものであってもよいし、ある光情報記録媒体に対しては記録または再生を行い、別の光情報記録媒体に対しては記録および再生を行うために用いられるものであってもよい。なお、ここでいう再生とは、単に情報を読み取ることを含むものである。
【0059】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSを搭載した光ピックアップ装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図6は、本実施の形態に係る光ピックアップ装置PUの概略構成図である。光ピックアップ装置PUは、図6に示すように光源となる半導体レーザLDを備えている。半導体レーザLDは、波長400nm程度の光束を射出するGaN系青紫色半導体レーザ、或いはSHG青紫色半導体レーザである。この半導体レーザLDから射出された発散光束は、偏光ビームスプリッタBSを透過し、1/4波長板WPを経て円偏光の光束となった後、カップリングレンズCULで平行光束となる。この平行光束は絞りSTOを経た後、対物レンズOBJによって光ディスクODの保護層DPを介して情報記録面DR上に集光スポットとして形成される。対物レンズOBJは、その周辺に配置された2軸アクチュエータACによってフォーカス方向及びトラッキング方向に駆動される。対物レンズOBJは光ディスクOD側の開口数が0.85程度とされており、フランジ部FLにより、光ピックアップ装置PUに精度よく取り付けることができる。尚、対物レンズOBJには、本発明の輪帯構造は形成されていない。
【0060】
情報記録面DRで情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物レンズOBJを透過した後、絞りSTOを経てカップリングレンズCULにより収斂光束となる。この収斂光束は、1/4波長板WPにより直線偏光とされた後、偏光ビームスプリッタBSによって反射され、シリンドリカルレンズCY、凹レンズNLを経ることによって非点収差が与えられ、光検出器PDの受光面上に収束する。そして、光検出器PDの出力信号に基づいて生成されたフォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号を用いて光ディスクODに対して情報の記録及び/又は再生を行う。
【0061】
また、本発明に係わる光情報記録再生装置は、上述した光ピックアップ装置PUと、光ディスクODをこの光ピックアップ装置により情報の記録/再生が可能に支持する図示しない光情報記録媒体支持手段とを有して構成されるものである。光情報記録媒体支持手段は、光ディスクODの中心部分を保持して回転操作する回転操作装置によって構成される。
【0062】
上述のように構成された光ピックアップ装置PU及び上述の光情報記録再生装置における光ピックアップ装置PUにおいて、カップリングレンズCULの光学面上には、請求項1に記載のような輪帯構造が形成されているので、半導体レーザLDがモードホッピング現象を起こした場合でも、対物レンズOBJにより集光された集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれが小さく抑えられる。対物レンズに回折構造や輪帯構造を設けなくて済むので、対物レンズの設計や、それを成形するための金型の製造が容易となる。
【0063】
(実施例)
次に、上述した光ピックアップ装置用光学系OSとして好適な実施例を提示する。表1にレンズデータを示す。本実施例の設計波長は405nm、対物レンズOBJの焦点距離は1.76mm、対物レンズOBJの開口数は0.85、対物レンズOBJの入射瞳径は3.0mmである。カップリングレンズCULの焦点距離は13.03mmである。尚、これ以降(表のレンズデータ含む)において、10のべき乗数(例えば 2.5×10−3)を、E(例えば 2.5×E―3)を用いて表すものとする。
【表1】
【0064】
各光学面における非球面は、その面の頂点に接する平面からの変形量をX(mm)、光軸に垂直な方向の高さをh(mm)、曲率半径をr(mm)とするとき、次の数1で表される。ただし、κを円錐係数、A2iを非球面係数とする。
【数1】
【0065】
また、表1において、r(mm)は各光学面の曲率半径、d(mm)は光軸上の間隔、Ndはd線における屈折率、N405は設計波長405nmにおける屈折率、N406は波長406nmにおける屈折率、νdはd線におけるアッベ数を表している。
【0066】
本実施例では、カップリングレンズCULの対物レンズOBJ側の光学面(表1において第2面)を平面とし、その上に輪帯構造を形成している。各段差の幅Δi(μm)、各段差の光軸からの距離hi(mm)、各輪帯の光軸に垂直な方向の幅Pi(mm)(図1参照)は表2に示すとおりである。
【表2】
【0067】
対物レンズOBJには軸上色収差が残存しており、モードホッピング現象による青紫色半導体レーザの波長変化量を1nmと仮定すると、405nmから406nmへの波長変化でフォーカス位置が対物レンズOBJから0.26μm遠ざかる(ΔFOBJ:0.26μm)。その結果、フォーカス位置ずれにより波面収差が0.001λrmsから0.083λrmsへと劣化する。
【0068】
これに対し、カップリングレンズCULは図5のような配置で光束を入射させると、表2に示した輪帯構造の作用により、入射光束の波長が長くなるとフォーカス位置がカップリングレンズCULに近づくような波長依存性を有し、405nmから406nmへの波長変化でフォーカス位置がカップリングレンズCULに11.15μm近づく(ΔF:−11.15μm)。
【0069】
対物レンズOBJに、カップリングレンズCULを組み合わせることで、405nmから406nmへの波長変化に対するフォーカス位置の移動量を0.1μmに抑えることが可能であって(ΔFOS:0.1μmすなわち|ΔFOBJ|>|ΔFOS| )、このときのデフォーカス成分込みの波面収差は0.036λrmsである。以上から、カップリングレンズCULにより、波長変化に対する集光スポットのフォーカス位置ずれは良好に補正されたということが出来る。
【0070】
【発明の効果】
本発明によれば、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系において、簡易な構成で集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正することが可能であり、光透過率に対する形状の製造誤差の影響が小さく、さらに、光透過率の波長依存性が小さい光ピックアップ装置用光学系を提供することができる。また、この光ピックアップ装置用光学系を使用する光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することができる。
【0071】
本発明は、さらに、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系に好適なレンズであって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、対物レンズと組み合わせて使用することで、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを良好に補正することができるレンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は、本発明に係わる光ピックアップ装置用光学系OSの断面図である。
【図2】対物レンズOBJに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合の透過波面の様子を表すグラフである。
【図3】カップリングレンズCULに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合の、カップリングレンズCULの透過波面の様子を示すグラフである。
【図4】カップリングレンズCULと対物レンズOBJとを透過した波面の特性を示す図である。
【図5】カップリングレンズCULのフォーカス位置の波長依存性を示す図である。
【図6】本実施の形態にかかる光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
PU 光ピックアップ装置
OBJ 対物レンズ
CUL カップリングレンズ
LD 半導体レーザ
AC アクチュエータ
STO 絞り
PD 光検出器
OD 光ディスク
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及びレンズに関し、特に、高密度な光情報記録又は再生を達成できる光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及びレンズに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光ディスクはCD(コンパクトディスク)またはDVD(デジタルバーサタイルディスク)で知られているように、音楽情報、映像情報の蓄積またはコンピューターデータの保存といった、デジタルデータの保存に広く使われている。更に、近年、情報化社会の到来とともに、これらの光ディスクの大容量化が強く求められているという実情がある。
【0003】
ここで、光ディスクにおいて、単位面積あたりの記録容量(記録密度)の向上は、光ピックアップ装置用光学系から得られる集光スポットのスポット径を小さくすることで実現できる。このスポット径は、周知のようにλ/NA(ただし、λは光源の波長、NAは対物レンズの開口数)に比例するので、スポット径を小さくためには、光ピックアップ装置で使用される光源の短波長化、及び光ディスクに対向して配置される対物レンズの高開口数化が有効である。
【0004】
このうち、光源の短波長に関しては、波長400nm程度のレーザ光を発生する青紫色半導体レーザの研究が進展を見せており、その実用化も近いといえる。ここで、光ピックアップ装置では、一般的に情報の再生時のレーザパワーよりも記録時のレーザパワーの方が大きいため、再生から記録に切り替える際に出力変化により中心波長が瞬時的に数nmとぶ、モードホッピング現象を起こす場合がある。かかるモードホッピング現象に起因して発生するフォーカス位置ずれは、対物レンズをフォーカシングすることで除去できるが、対物レンズがフォーカシングするまでの数nsecの間は、フォーカス位置ずれによる記録不良等の不具合が生じる。このフォーカス位置ずれは、光源波長が短くなるほど大きくなるので、光源波長が短くなるほどモードホッピング現象に起因した波面収差劣化は大きくなる。以上の理由から青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置では、波長変化に対する集光スポットのフォーカス位置ずれの補正が必要とされる。
【0005】
かかる課題に対し、光学面上に輪帯状の回折パターンを形成し、かかる回折パターンの回折作用により軸上色収差を補正することで、波長変化に対するフォーカス位置ずれを小さく抑えた、青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置用の対物レンズが以下の特許文献1に記載されている。
【特許文献1】
特開平9−311271号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、特許文献1に記載されているように、対物レンズの光学面上に輪帯状の回折パターンを形成することは、青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置用の対物レンズにおいて、高開口数化を達成するために曲率半径が小さくした場合に、シェーディングの影響による光透過率の低下を招くという新たな問題を引き起こす。
【0007】
これに対し、大きな開口数を必要とせず光学面の曲率半径を大きく確保できる(すなわち、光透過率に対するシェーディングの影響が小さい)カップリングレンズ等の、光源と対物レンズとの間の光路中に配置される光学素子に、対物レンズの軸上色収差を補正するための輪帯状の回折パターンを形成することもできる。本発明者は先に、青紫色半導体レーザを光源として使用する光ピックアップ装置用の光学系において、光源からの発散光束の発散角を変換し対物レンズに導くためのカップリングレンズの光学面上に輪帯状の回折パターンを形成し、かかる回折パターンの回折作用によりカップリングレンズの軸上色収差を補正過剰にすることで、対物レンズの軸上色収差を相殺補正して、カップリングレンズを介して対物レンズにより集光された集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを小さく抑えた光ピックアップ装置用光学系を提案した(特許文献2参照)。
【特許文献2】
特開2002−303788号公報
【0008】
ところが、青紫色半導体レーザの波長の光束に対して、対物レンズの軸上色収差を補正することで集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折パターンを利用して小さく抑える場合、輪帯構造の光軸に垂直な方向の幅が小さくなり、輪帯の総数が増加するので、金型加工が困難となり、また、成形時の転写性の劣化が大きくなるという問題がある。かかる転写性の劣化は、回折効率、すなわち光透過率の低下につながる。さらに、輪帯の総数が増加すると、金型加工に要する時間が増大するので、結果としてかかる回折パターンをその光学面上に有するレンズのコストが上昇してしまう。これに対し、2次以上の高次の回折光が発生するように輪帯構造を形成することで、かかる問題を緩和することは可能であるが、この場合、回折効率の波長依存性が大きくなるので、製造誤差により基準となる波長から波長がばらついた半導体レーザ光源を使用すると光透過率が低下し、光検出器において十分な信号強度を得ることができないという問題がある。
【0009】
本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系において、簡易な構成で集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正することが可能であり、光透過率に対する形状の製造誤差の影響が小さく、さらに、光透過率の波長依存性が小さい光ピックアップ装置用光学系を提供することを目的とする。また、この光ピックアップ装置用光学系を使用する光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することも本発明の目的である。
【0010】
本発明は、さらに、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系に好適なレンズであって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、対物レンズと組み合わせて使用することで、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを良好に補正することができるレンズを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の光ピックアップ装置用光学系は、入射光束の発散角を変換するカップリングレンズと、前記カップリングレンズからの光束を集光する対物レンズとを備えた光ピックアップ装置用光学系において、
前記カップリングレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、
前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、次式を満たすことを特徴とする。
|ΔFOBJ|>|ΔFOS| (1)
【0012】
図1は、本発明に係わる光ピックアップ装置用光学系OSの断面図である。光ピックアップ装置用光学系OSは、図1に示すように、図示しない青紫色半導体レーザ光源から射出された発散光束の発散角を変換するためのカップリングレンズCULと、このカップリングレンズCULを介した光束を光ディスクODの保護層DPを介して情報記録面DR上に集光する対物レンズOBJとから構成されている。
【0013】
カップリングレンズCULの対物レンズ側の光学面は、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側(光軸から遠い側)の輪帯を通過した光束の光路長が、内側(光軸に近い側)の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移(図では変移を実際より誇張して示している)されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造が形成されている。
【0014】
この輪帯構造の作用により、光ピックアップ装置用光学系OSは、対物レンズOBJに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、対物レンズOBJに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、対物レンズOBJに前記所定の波長の光束をカップリングレンズCULを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、対物レンズOBJに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、上記(1)式を満たし、その結果、カップリングレンズCULを介して対物レンズOBJにより集光された集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれが小さく抑えられる。
【0015】
カップリングレンズCULに形成された輪帯構造による、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれの補正の原理について図を用いて説明する。図2は、対物レンズOBJに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合(点線で示す)と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合(太線で示す)の透過波面の様子を表すグラフであり、横軸が瞳半径を表し、縦軸が光路差を表す。図2に示すように、対物レンズOBJに対して波長λ+Δλ(nm)の光束が入射すると、対物レンズOBJの軸上色収差に起因して波面が変化し、フォーカス位置(細線で示す)がずれる。
【0016】
一方、図3は、カップリングレンズCULに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合(点線で示す)と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合(太線で示す)の、カップリングレンズCULの透過波面の様子を示すグラフである。カップリングレンズCULに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合には、隣接する輪帯同士の光路差は波長の整数倍であるので、透過波面は無収差であるが、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合には、波長変化と、それに伴う屈折率の変化により、隣接する輪帯同士の光路差が波長の整数倍からずれるので、カップリングレンズCULの透過波面には、図3で太線で示すように階段状の光路差が付加される。すなわち、図1に示すように、外側(光軸から遠い側)の輪帯は内側(光軸に近い側)の輪帯よりも光路長が長くなるように、その境界において光軸方向に変移されているので、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合にカップリングレンズCULの透過波面に付加される光路差の符号は、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合に対物レンズOBJの透過波面に付加される光路差とは逆符号となる。
【0017】
その結果、波長λ+Δλ(nm)の光束が入射した場合の、カップリングレンズCULの透過波面の光路差により、対物レンズOBJの透過波面の光路差を打ち消すことが出来、図4に示されるように、カップリングレンズCULと対物レンズOBJとを透過した波面は、巨視的にみると光路差のない波面(太線で示す)となり、カップリングレンズCULの輪帯構造により、カップリングレンズCULを介して対物レンズOBJにより集光された、波長λ+Δλ(nm)の光束の集光スポットのフォーカス位置ずれ(細線で表す)が小さく抑えられる。
【0018】
尚、本明細書において、「フォーカス位置」とは、瞳全体の波面の形状を考慮して測定或いは計算される波面収差が最小となる結像位置を指し、「バックフォーカス」や「軸上色収差」などの近軸量から求まる結像位置とは区別するものとする。
【0019】
また、上述したように、シェーディングの影響による光透過率の低下が大きくなるため、高開口数化を達成するために曲率半径が小さくなりがちな、対物レンズOBJの光学面上に集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正するための輪帯構造を形成するのは好ましくない。これに対して、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSは、大きな開口数を必要とせず光学面の曲率半径を大きく確保できるカップリングレンズCULに集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正するための輪帯構造を形成したので、シェーディングの影響による光透過率の低下が少ない。
【0020】
請求項2に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3)
【0021】
カップリングレンズCULに形成された輪帯構造は、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合に隣接する輪帯同士の光路差は波長の整数倍となるように、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量Δi(μm)(図1参照)が決定されているが、これは、輪帯構造の段差が上記(2)、(3)式の条件を満足することと等価である。尚、本明細書中で用いる「設計波長」とは、光学素子に対して倍率、温度、入射光束径等、全く同じ条件で様々な波長の光を入射させた場合に、収差が最小となる波長をいうものとする。
【0022】
請求項3に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする。
mj≠mi (6)
【0023】
請求項4に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすと、前記カップリングレンズを成形する金型を製造しやすくなるので好ましい。
50μm>Δi>3μm (7)
【0024】
請求項5に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯の総数が3以上30以下であると、前記カップリングレンズの光透過率の低下を抑制し、又前記カップリングレンズを成形する金型を製造しやすくなるので好ましい。
【0025】
請求項6に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記カップリングレンズの設計波長が500nm以下であると、高密度な情報記録及び/又は再生が可能な光ピックアップ装置に好適となる。
【0026】
請求項7に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量と、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスの移動量と、が略一致していることを特徴とする。上述したように、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSは、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して補正する場合のように、対物レンズOBJのバックフォーカス(軸上色収差)を補正するのではなく、カップリングレンズCULに形成した輪帯構造の作用により、カップリングレンズCULと対物レンズOBJとを透過した波面の光路差を図4に示すように、巨視的に変化させることで集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正するのである。
【0027】
請求項8に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造は、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であると、前記カップリングレンズの設計や、それを成形する金型の製造が容易になるので好ましい。前記カップリングレンズは、前記対物レンズのように大きな開口数を必要としないので、1つの光学面を平面としても、その光学性能が極端に劣化することはない。尚、階段状とは、例えば光軸に対して直交する面と、光軸とに平行な面とで構成された状態をいう。
【0028】
請求項9に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記輪帯構造は、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状であると、より高性能なカップリングレンズを得ることができるので好ましい。
【0029】
請求項10に記載の光ピックアップ装置用光学系は、前記対物レンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、その光学面に形成していないので、高開口数化を達成するために曲率半径を小さくした場合にも、シェーディングの影響がないので光透過率の低下を抑制できる。
【0030】
以上のように決定された輪帯構造が形成されたカップリングレンズCULを備えた、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSは、特許文献1及び2に開示されている技術のように、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して補正する場合に問題となる課題をすべて解決し、以下に述べるような効果を有する。
【0031】
第1に、特許文献1又は2に開示されているの技術のように、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを回折作用を利用して解消するのではないので、成形時の輪帯構造の転写性の劣化に起因する不要次数の回折光発生による光透過率の低下、という問題がない。さらに、回折パターンのような光透過率の波長依存性がなくなるので、製造誤差により設計波長から波長がばらついた半導体レーザ光源を使用した場合でも、光透過率が変化することがない。
【0032】
第2に、例えば光源として用いる青紫色半導体レーザの波長の光に対して、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正した場合でも、輪帯の総数はそれほど多くならないので、輪帯の光軸に垂直な方向の幅Pi(図1参照)を大きく確保できる。そのため、金型加工が容易で、かつに金型加工に要する時間が少なくてすむ。
【0033】
なお、光学特性の対称性により、設計波長λ(nm)に対し、Δλ(nm)だけ短い波長λ−Δλ(nm)の光束が入射した場合における各波面は、図2〜4において、設計波長λ(nm)の波面(点線)に関して、波長λ+Δλ(nm)における波面(太線)と略対称の関係となり、上述した原理により、波長λ+Δλ(nm)に対するフォーカス位置ずれを補正する場合と同様に、波長λ−Δλ(nm)に対するフォーカス位置ずれも補正できるのはいうまでもない。
【0034】
請求項11に記載の光ピックアップ装置は、
光源と、前記光源から射出された光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させる光ピックアップ装置用光学系とを備えた光ピックアップ装置において、
前記光ピックアップ装置用光学系は、入射した前記光源からの光束の発散角を変換するカップリングレンズと、前記カップリングレンズからの光束を集光する対物レンズとを備え、
前記カップリングレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、
前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、次式を満たすことを特徴とする。
|ΔFOBJ|>|ΔFOS| (1)
本発明の作用効果は、請求項1に記載の作用効果と同様である。
【0035】
請求項12に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3)
本発明の作用効果は、請求項2に記載の作用効果と同様である。
【0036】
請求項13に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする。
mj≠mi (6)
【0037】
請求項14に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすことを特徴とする。
50μm>Δi>3μm (7)
本発明の作用効果は、請求項4に記載の作用効果と同様である。
【0038】
請求項15に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯の総数が3以上30以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項5に記載の作用効果と同様である。
【0039】
請求項16に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの設計波長が500nm以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項6に記載の作用効果と同様である。
【0040】
請求項17に記載の光ピックアップ装置は、前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量と、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスの移動量と、が略一致していることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項7に記載の作用効果と同様である。
【0041】
請求項18に記載の光ピックアップ装置は、前記カップリングレンズの前記輪帯構造が、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項8に記載の作用効果と同様である。
【0042】
請求項19に記載の光ピックアップ装置は、前記輪帯構造が、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状である。本発明の作用効果は、請求項9に記載の作用効果と同様である。
【0043】
請求項20に記載の光ピックアップ装置は、前記対物レンズが、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、その光学面に形成していないことを特徴とする。
【0044】
請求項21に記載の光ピックアップ装置は、請求項11乃至20のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置と、光情報記録媒体を、前記光ピックアップ装置により情報の記録及び/又は再生が可能に支持する光情報記録媒体支持手段と、を有することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項1に記載の作用効果と同様である。
【0045】
請求項22に記載のレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記所定の波長とは10nm内の所定の波長差だけ長い波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFとしたとき、次式を満たすことを特徴とする。
ΔF<0 (8)
【0046】
ここで、前記レンズのフォーカス位置の波長依存性を図5に示す。前記レンズは、所定の波長(図5の場合は、設計波長λ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置に対して、所定の波長の光束とは、10nm内の所定の波長差だけ長い波長(図5の場合は、λ+Δλ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置は前記レンズに近い側に移動し、所定の波長の光束とは、10nm内の所定の波長差だけ短い波長(図5の場合は、λ−Δλ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置は前記レンズから遠い側に移動するようなフォーカス位置の波長依存性を有する。すなわち、所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記所定の波長とは10nm内の所定の波長差だけ長い波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFとしたとき、上記(8)式を満たすのである。尚、上記(8)式において、前記レンズのフォーカス位置の移動量の符号は、前記所定の波長(図5の場合は、設計波長λ(nm))の光束を入射させた際のフォーカス位置を基準として、前記レンズに近づく方向に移動する場合を負、前記レンズから遠ざかる方向に移動する場合を正と定義する。
【0047】
請求項23に記載のレンズは、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記レンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3)
本発明の作用効果は、請求項2に記載の作用効果と同様である。
【0048】
請求項24に記載のレンズは、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記レンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする。
mj≠mi (6)
本発明の作用効果は、請求項3に記載の作用効果と同様である。
【0049】
請求項25に記載のレンズは、前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすことを特徴とする。
50μm>Δi>3μm (7)
本発明の作用効果は、請求項4に記載の作用効果と同様である。
【0050】
請求項26に記載のレンズは、前記輪帯の総数が3以上30以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項5に記載の作用効果と同様である。
【0051】
請求項27に記載のレンズは、設計波長λ(nm)が500nm以下であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項6に記載の作用効果と同様である。
【0052】
請求項28に記載のレンズは、前記レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量が略ゼロであることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項7に記載の作用効果と同様である。
【0053】
請求項29に記載のレンズは、前記輪帯構造は、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項8に記載の作用効果と同様である。
【0054】
請求項30に記載のレンズは、前記輪帯構造は、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状であることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項9に記載の作用効果と同様である。
【0055】
請求項31に記載のレンズは、光ピックアップ装置用光学系において、入射光束の発散角を変換して対物レンズに入射させるためのカップリングレンズとして使用されることで、より高密度な情報の記録及び/又は再生を実現できる。
【0056】
尚、本明細書において、カップリングレンズとは、入射光束の発散角を変換して対物レンズに導くレンズを指し、入射する発散光束をより弱い発散光束に変換するものや、入射する発散光束を収斂光束に変換するものや、入射する発散光束を平行光束に変換するものも含む。その形態としては、1つのレンズから構成されていてもよいし、複数枚のレンズから構成されていてもよい。また、図1の光ピックアップ装置用光学系OSにおけるカップリングレンズCULでは、対物レンズOBJ側の光学面上に輪帯構造を形成しているが、かかる輪帯構造は、光源側の光学面上に形成されても良いし、2つ以上の複数の光学面上に形成されても良い。何れの場合も、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを小さく抑えることが可能となる。
【0057】
また、本明細書において、対物レンズとは、狭義には光ピックアップ装置に光情報記録媒体(光ディスク)を装填した状態において、最も光情報記録媒体側の位置で、これと対向すべく配置される集光作用を有するレンズを指し、広義にはそのレンズとともに、アクチュエータによって少なくともその光軸方向に駆動されるレンズを指すものとする。従って、本明細書において、対物レンズの開口数とは光情報記録媒体側の開口数であって、それぞれの光情報記録媒体の規格で規定されている開口数、あるいは、それぞれの光情報記録媒体に対して、使用する光源の波長に応じ、情報の記録/再生をするために必要なスポット径を得ることができる、回折限界性能を有する開口数を指すものとする。
【0058】
また、本明細書において、情報の記録とは、上記のような光情報記録媒体の情報記録面上に情報を記録することをいう。また、本明細書において、情報の再生とは、上記のような光情報記録媒体の情報記録面上に記録された情報を再生することをいう。本発明による対物レンズは、記録だけあるいは再生だけを行うために用いられるものであってもよいし、記録および再生の両方を行うために用いられるものであってもよい。また、ある光情報記録媒体に対しては記録を行い、別の光情報記録媒体に対しては再生を行うために用いられるものであってもよいし、ある光情報記録媒体に対しては記録または再生を行い、別の光情報記録媒体に対しては記録および再生を行うために用いられるものであってもよい。なお、ここでいう再生とは、単に情報を読み取ることを含むものである。
【0059】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光ピックアップ装置用光学系OSを搭載した光ピックアップ装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図6は、本実施の形態に係る光ピックアップ装置PUの概略構成図である。光ピックアップ装置PUは、図6に示すように光源となる半導体レーザLDを備えている。半導体レーザLDは、波長400nm程度の光束を射出するGaN系青紫色半導体レーザ、或いはSHG青紫色半導体レーザである。この半導体レーザLDから射出された発散光束は、偏光ビームスプリッタBSを透過し、1/4波長板WPを経て円偏光の光束となった後、カップリングレンズCULで平行光束となる。この平行光束は絞りSTOを経た後、対物レンズOBJによって光ディスクODの保護層DPを介して情報記録面DR上に集光スポットとして形成される。対物レンズOBJは、その周辺に配置された2軸アクチュエータACによってフォーカス方向及びトラッキング方向に駆動される。対物レンズOBJは光ディスクOD側の開口数が0.85程度とされており、フランジ部FLにより、光ピックアップ装置PUに精度よく取り付けることができる。尚、対物レンズOBJには、本発明の輪帯構造は形成されていない。
【0060】
情報記録面DRで情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物レンズOBJを透過した後、絞りSTOを経てカップリングレンズCULにより収斂光束となる。この収斂光束は、1/4波長板WPにより直線偏光とされた後、偏光ビームスプリッタBSによって反射され、シリンドリカルレンズCY、凹レンズNLを経ることによって非点収差が与えられ、光検出器PDの受光面上に収束する。そして、光検出器PDの出力信号に基づいて生成されたフォーカスエラー信号やトラッキングエラー信号を用いて光ディスクODに対して情報の記録及び/又は再生を行う。
【0061】
また、本発明に係わる光情報記録再生装置は、上述した光ピックアップ装置PUと、光ディスクODをこの光ピックアップ装置により情報の記録/再生が可能に支持する図示しない光情報記録媒体支持手段とを有して構成されるものである。光情報記録媒体支持手段は、光ディスクODの中心部分を保持して回転操作する回転操作装置によって構成される。
【0062】
上述のように構成された光ピックアップ装置PU及び上述の光情報記録再生装置における光ピックアップ装置PUにおいて、カップリングレンズCULの光学面上には、請求項1に記載のような輪帯構造が形成されているので、半導体レーザLDがモードホッピング現象を起こした場合でも、対物レンズOBJにより集光された集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれが小さく抑えられる。対物レンズに回折構造や輪帯構造を設けなくて済むので、対物レンズの設計や、それを成形するための金型の製造が容易となる。
【0063】
(実施例)
次に、上述した光ピックアップ装置用光学系OSとして好適な実施例を提示する。表1にレンズデータを示す。本実施例の設計波長は405nm、対物レンズOBJの焦点距離は1.76mm、対物レンズOBJの開口数は0.85、対物レンズOBJの入射瞳径は3.0mmである。カップリングレンズCULの焦点距離は13.03mmである。尚、これ以降(表のレンズデータ含む)において、10のべき乗数(例えば 2.5×10−3)を、E(例えば 2.5×E―3)を用いて表すものとする。
【表1】
【0064】
各光学面における非球面は、その面の頂点に接する平面からの変形量をX(mm)、光軸に垂直な方向の高さをh(mm)、曲率半径をr(mm)とするとき、次の数1で表される。ただし、κを円錐係数、A2iを非球面係数とする。
【数1】
【0065】
また、表1において、r(mm)は各光学面の曲率半径、d(mm)は光軸上の間隔、Ndはd線における屈折率、N405は設計波長405nmにおける屈折率、N406は波長406nmにおける屈折率、νdはd線におけるアッベ数を表している。
【0066】
本実施例では、カップリングレンズCULの対物レンズOBJ側の光学面(表1において第2面)を平面とし、その上に輪帯構造を形成している。各段差の幅Δi(μm)、各段差の光軸からの距離hi(mm)、各輪帯の光軸に垂直な方向の幅Pi(mm)(図1参照)は表2に示すとおりである。
【表2】
【0067】
対物レンズOBJには軸上色収差が残存しており、モードホッピング現象による青紫色半導体レーザの波長変化量を1nmと仮定すると、405nmから406nmへの波長変化でフォーカス位置が対物レンズOBJから0.26μm遠ざかる(ΔFOBJ:0.26μm)。その結果、フォーカス位置ずれにより波面収差が0.001λrmsから0.083λrmsへと劣化する。
【0068】
これに対し、カップリングレンズCULは図5のような配置で光束を入射させると、表2に示した輪帯構造の作用により、入射光束の波長が長くなるとフォーカス位置がカップリングレンズCULに近づくような波長依存性を有し、405nmから406nmへの波長変化でフォーカス位置がカップリングレンズCULに11.15μm近づく(ΔF:−11.15μm)。
【0069】
対物レンズOBJに、カップリングレンズCULを組み合わせることで、405nmから406nmへの波長変化に対するフォーカス位置の移動量を0.1μmに抑えることが可能であって(ΔFOS:0.1μmすなわち|ΔFOBJ|>|ΔFOS| )、このときのデフォーカス成分込みの波面収差は0.036λrmsである。以上から、カップリングレンズCULにより、波長変化に対する集光スポットのフォーカス位置ずれは良好に補正されたということが出来る。
【0070】
【発明の効果】
本発明によれば、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系において、簡易な構成で集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを補正することが可能であり、光透過率に対する形状の製造誤差の影響が小さく、さらに、光透過率の波長依存性が小さい光ピックアップ装置用光学系を提供することができる。また、この光ピックアップ装置用光学系を使用する光ピックアップ装置、及び、この光ピックアップ装置を搭載した光情報記録再生装置を提供することができる。
【0071】
本発明は、さらに、例えば青紫色半導体レーザのごとき短波長光源を使用する光ピックアップ装置用の光学系に好適なレンズであって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、対物レンズと組み合わせて使用することで、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれを良好に補正することができるレンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は、本発明に係わる光ピックアップ装置用光学系OSの断面図である。
【図2】対物レンズOBJに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合の透過波面の様子を表すグラフである。
【図3】カップリングレンズCULに対して、設計波長λ(nm)の光束が入射した場合と、設計波長λ(nm)から所定の波長Δλ(nm)だけ長い波長の光束が入射した場合の、カップリングレンズCULの透過波面の様子を示すグラフである。
【図4】カップリングレンズCULと対物レンズOBJとを透過した波面の特性を示す図である。
【図5】カップリングレンズCULのフォーカス位置の波長依存性を示す図である。
【図6】本実施の形態にかかる光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
PU 光ピックアップ装置
OBJ 対物レンズ
CUL カップリングレンズ
LD 半導体レーザ
AC アクチュエータ
STO 絞り
PD 光検出器
OD 光ディスク
Claims (31)
- 入射光束の発散角を変換するカップリングレンズと、前記カップリングレンズからの光束を集光する対物レンズとを備えた光ピックアップ装置用光学系において、
前記カップリングレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、
前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、次式を満たすことを特徴とする光ピックアップ装置用光学系。
|ΔFOBJ|>|ΔFOS| (1) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする請求項1に記載の光ピックアップ装置用光学系。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする請求項2に記載の光ピックアップ装置用光学系。
mj≠mi (6) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
50μm>Δi>3μm (7) - 前記輪帯の総数が3以上30以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
- 前記カップリングレンズの設計波長が500nm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
- 前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量と、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスの移動量と、が略一致していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
- 前記輪帯構造は、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
- 前記輪帯構造は、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
- 前記対物レンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、その光学面に形成していないことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置用光学系。
- 光源と、
前記光源から射出された光束を光情報記録媒体の情報記録面上に集光させる光ピックアップ装置用光学系とを備えた光ピックアップ装置において、
前記光ピックアップ装置用光学系は、入射した前記光源からの光束の発散角を変換するカップリングレンズと、前記カップリングレンズからの光束を集光する対物レンズとを備え、
前記カップリングレンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、
前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOBJとし、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置に対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFOSとしたとき、次式を満たすことを特徴とする光ピックアップ装置。
|ΔFOBJ|>|ΔFOS| (1) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする請求項11に記載の光ピックアップ装置。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記カップリングレンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする請求項12に記載の光ピックアップ装置。
mj≠mi (6) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすことを特徴とする請求項11乃至13のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置。
50μm>Δi>3μm (7) - 前記輪帯の総数が3以上30以下であることを特徴とする請求項11乃至14のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置。
- 前記カップリングレンズの設計波長が500nm以下であることを特徴とする請求項11乃至15のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置。
- 前記対物レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量と、前記対物レンズに前記所定の波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスに対する、前記対物レンズに前記所定の波長とは前記所定の波長差だけ異なる波長の光束を前記カップリングレンズを介して入射させた際のバックフォーカスの移動量と、が略一致していることを特徴とする請求項11乃至16のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置。
- 前記輪帯構造は、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であることを特徴とする請求項11乃至17のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置。
- 前記輪帯構造は、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状であることを特徴とする請求項11乃至17のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置。
- 前記対物レンズは、微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、その光学面に形成していないことを特徴とする請求項11乃至19のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置。
- 請求項11乃至20のいずれか1項に記載の光ピックアップ装置と、
光情報記録媒体を、前記光ピックアップ装置により情報の記録及び/又は再生が可能に支持する光情報記録媒体支持手段と、を有することを特徴とする光情報記録再生装置。 - 微細な段差をもって分割された複数の輪帯から構成され、かつ、互いに隣接する輪帯のうち、外側の輪帯を通過した光束の光路長が、内側の輪帯を通過した光束の光路長よりも長くなるように、その境界において光軸方向に変移されることで、所定の波長の入射光束に対して所定の位相差を生じる位相付加構造としての輪帯構造を、少なくとも1つの光学面上に有し、
所定の波長の光束を入射させた際のフォーカス位置に対する、前記所定の波長とは10nm内の所定の波長差だけ長い波長の光束を入射させた際のフォーカス位置の移動量をΔFとしたとき、次式を満たすことを特徴とするレンズ。
ΔF<0 (8) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)とし、前記レンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、以下の式で表されるmiが自然数であることを特徴とする請求項22に記載のレンズ。
mi=INT(X) (2)
(ただし、INT(X)はXを四捨五入して得られる整数)
X=Δi×(n−1)/(λ×10−3) (3) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて所定のj(j≠i)番目の段差の段差量をΔj(μm)とし、前記レンズの設計波長λ(nm)における屈折率をnとしたとき、
mj=INT(Y) (4)
(ただし、INT(Y)はYを四捨五入して得られる整数)
Y=Δj×(n−1)/(λ×10−3) (5)
上式で表されるmjが、次式を満たすことを特徴とする請求項23に記載のレンズ。
mj≠mi (6) - 前記輪帯構造において、互いに隣接する輪帯同士の境界における光軸方向の段差のうち、光軸に近い側から数えて任意のi番目の段差の段差量をΔi(μm)としたとき、次式を満たすことを特徴とする請求項22乃至24のいずれか1項に記載のレンズ。
50μm>Δi>3μm (7) - 前記輪帯の総数が3以上30以下であることを特徴とする請求項22乃至25のいずれか1項に記載のレンズ。
- 設計波長λ(nm)が500nm以下であることを特徴とする請求項22乃至26のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記レンズに所定の波長の光束を入射させた際のバックフォーカスに対する、前記レンズに前記所定の波長とは±10nm内の所定の波長差だけ異なる波長の光束を入射させた際のバックフォーカスの移動量が略ゼロであることを特徴とする請求項22乃至27のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記輪帯構造は、平面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると階段状であることを特徴とする請求項22乃至28のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記輪帯構造は、凸面又は凹面の光学面上に形成され、光軸を含む断面でみると鋸歯状であることを特徴とする請求項22乃至29のいずれか1項に記載のレンズ。
- 光ピックアップ装置用光学系において、入射光束の発散角を変換して対物レンズに入射させるためのカップリングレンズとして使用されることを特徴とする請求項22乃至30のいずれか1項に記載のレンズ。
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JP2002353219A JP2004185746A (ja) | 2002-12-05 | 2002-12-05 | 光ピックアップ装置用光学系、光ピックアップ装置、光情報記録再生装置及びレンズ |
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US7801010B2 (en) | 2006-11-22 | 2010-09-21 | Hitachi Maxell, Ltd. | Coupling lens and optical pickup device |
-
2002
- 2002-12-05 JP JP2002353219A patent/JP2004185746A/ja active Pending
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