JP2005018949A - 光学系、光ピックアップ装置、及び音声及び／又は画像の記録装置、及び／又は、音声及び／又は画像の再生装置。 - Google Patents
光学系、光ピックアップ装置、及び音声及び／又は画像の記録装置、及び／又は、音声及び／又は画像の再生装置。 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】青紫色半導体レーザを使用し、製造容易且つ低コストで、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれ、温度変化による収差変化を良好に補正できる光ピックアップ用の光学系、光ピックアップ装置及び記録・再生装置を提供する。
【解決手段】本発明の光学系ＯＳは、光源ＬＤからの出射光束を光記録媒体ＯＤ上に集光する対物系ＯＢＪと、光源と対物系との間の光学経路上に配置された２つのレンズを有し、光軸方向に調整可能な距離を持った収差補正光学系ＢＥとを有する。収差補正光学系は、前記レンズの少なくとも１つのレンズ表面上に形成された輪帯構造を有し、該輪帯構造は、非周期的であり、同心輪帯状の複数の面ｋ（ｋは１〜Ｎのいずれか１つ）を有し、各輪帯面は、光軸方向に隣り合う輪帯面に対して段差を有している。
【選択図】 図２
【解決手段】本発明の光学系ＯＳは、光源ＬＤからの出射光束を光記録媒体ＯＤ上に集光する対物系ＯＢＪと、光源と対物系との間の光学経路上に配置された２つのレンズを有し、光軸方向に調整可能な距離を持った収差補正光学系ＢＥとを有する。収差補正光学系は、前記レンズの少なくとも１つのレンズ表面上に形成された輪帯構造を有し、該輪帯構造は、非周期的であり、同心輪帯状の複数の面ｋ（ｋは１〜Ｎのいずれか１つ）を有し、各輪帯面は、光軸方向に隣り合う輪帯面に対して段差を有している。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系、光ピックアップ装置、及び音声・画像の記録再生装置に関する。
【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。
そのような中で、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。
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）を向上するためには、光ピックアップ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。
【０００３】
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実用化が近いといえる。
しかし、高開口数、短波長の光学系は光ディスクの保護層厚さのばらつきや部分的な変動、光源波長の変動または光源個体差、光学系の温度変化などの要因により光学系全体での収差が影響を受けやすく小さなスポット径を維持するのは難しい。
【０００４】
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、モードホッピングを起こす場合がある。かかるモードホッピングにより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による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である。
【０００５】
また、高開口数の対物レンズがプラスチックレンズで構成されている場合は、温度変化により球面収差が変動する場合がある。集光光学系の一部を動かして補正することはもちろん可能であるが、温度変化は不定期に発生するため常時スポットや収差また温度自体を監視する必要がありピックアップのコストアップにつながる。
波長変化の課題に対し、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。
また温度変化の補正に関する光学系としては、温度変化による光源波長の変化と回折を用いて補正する対物レンズが以下の特許文献２に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３１１２７１号公報
【特許文献２】
特開平１１−３３７８１８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、回折パターンは非常に微細な構造のため金型の製作が難しく、また製作過程の誤差の影響を受け、透過率の低下を招き易いという問題がある。
また、微細な構造ほどその影響が大きいため、より細かい構造のレンズ周辺ほど透過率が低下するような透過率分布を引き起こしスポットの肥大化を引き起こすという問題がある。
【０００８】
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、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したり、温度変化による収差変化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用の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記録・再生装置を提供することも本発明の目的である。
本発明は、さらに、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に好適な光ピックアップ用の光学系であって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれ、あるいは温度変化による収差変化を良好に補正することができる光ピックアップ用の光学系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】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、光記録媒体に記録及び／又は再生を行なう光ピックアップ手段を用いる光学系であって、前記光学系は、光軸を有するとともに、光源より出射された光束を前記光記録媒体上に集光する対物系と、前記光源と前記対物系との間の光学経路上に配置された２つのレンズを有し、前記光軸方向に調整可能な距離を持った収差補正光学系とを有し、前記収差補正光学系は、前記レンズの少なくとも１つのレンズ表面上に形成された輪帯構造を有し、該輪帯構造は、非周期的であり、同心輪帯状の複数の面ｋ（ｋは１〜Ｎのいずれか１つ）を有し、各輪帯面は、光軸方向に隣り合う輪帯面に対して段差を有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光学系において、第ｋ輪帯と第ｋ＋１輪帯の間の段差量をｈｋとしたとき、以下の式を実質的に満たすことを特徴とする。
ｈｋ＝ｍｋλ／（ｎ−１）
但し、ｍｋは整数、λは光源からの出射光束の波長、ｎは輪帯構造の材料の波長λの光束に対する屈折率。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の光学系において、前記光源からの光束をコリメートするためのコリメータレンズを有し、該コリメータレンズは、前記光源と前記収差補正光学系との間に配置されることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項２記載の光学系において、前記収差補正光学系の２つのレンズは、正のレンズ及び負のレンズを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の光学系において、前記段差の方向が全て同一であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学系において、前記収差補正光学系の最も前記対物系側の面に前記輪帯構造を設け、以下の式を満たすことを特徴とする。
Ｄ／ｒＬ＜０．１
但し、Ｄは対物系の入射瞳径、ｒＬは収差補正光学系の最も対物系側である面の曲率半径の絶対値。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系において、下記の式を満たすことを特徴とする。
０．２＜（ＲΣｍｋ）／（Ｎ｜ｆ｜）＜４ （１）
但し、Ｒは段差が設けられるレンズの有効半径、ｍｋ＝（ｎ−１）ｈｋ／λ、ｎは輪帯構造の材料の波長λの光束に対する屈折率、ｈｋは第ｋ輪帯と第ｋ＋１輪帯の間の段差量、λは光源からの出射光束の波長、Σｍｋは全ての輪帯の段差についての和、Ｎは前記有効半径内の輪帯数、ｆは段差が設けられるレンズの焦点距離。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光学系において、前記輪帯数Ｎが４〜３０の範囲内であることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記光源からの出射光束の波長λが５００ｎｍ以下であり、前記段差がレンズの厚さが厚くなる方向に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記光学系のＮＡが０．７以上で、前記光ピックアップ手段において発生する球面収差量を前記収差補正光学系の２つのレンズ間距離を変更することにより制御するためのレンズ移動手段を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記対物系は、プラスチック材料で構成され、ＮＡが０．７以上であり、温度変化による球面収差量を補正するように前記段差が構成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記対物系は、プラスチック材料で構成され、ＮＡが０．７以上であり、前記段差が光軸から離れるに従いレンズ厚さが薄くなる方向に付け、温度変化による前記光学系の球面収差の変化量を減少するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記対物系は、２枚のプラスチックレンズを有し、ＮＡが０．７以上であり、前記段差が光軸から離れるに従いレンズ厚さが厚くなる方向に付け、温度変化による前記光学系の球面収差の変化量を減少するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、光源と請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学系を有していることを特徴とする。
【００２３】
請求項１５に記載の発明は、光ピックアップ装置と該光ピックアップ装置による情報信号の記録及び／又は再生を可能とするために光記録媒体を支持する光記録媒体支持手段とを備えた音声及び／又は画像の記録装置、及び／又は、音声及び／又は画像の再生装置において、
前記光ピックアップ装置として請求項１４に記載の光ピックアップ装置を備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光ピックアップ用の光学系ＯＳを搭載した光ピックアップ装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図２と図３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２または図３に示すように光源となる半導体レーザＬＤを備えている。
【００２５】
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、あるいは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、コリメータレンズＣＬで平行光束となる。
この平行光束は正レンズと負レンズより構成されたビームエキスパンダー形態で構成された収差補正光学系ＢＥを通り、絞りＳＴＯを経た後、対物レンズ（対物系）ＯＢＪによって光ディスク（光記録媒体）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。
【００２６】
収差補正光学系ＢＥのうち凹レンズ群の周辺に１軸のアクチュエータＡＣＥが配置され、光軸方向に凹レンズ群を移動させることで対物レンズへの入射光束を平行光束からわずかに収斂あるいは発散光束となるように変化させる。これによって保護層厚みの変動や、光源波長のばらつき、光学系の温度変化、更に２層ディスクの層間隔により発生する球面収差を補正することができる。
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およ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増値ＰＵに精度よく取付けることができる。尚、対物レンズＯＢＪには、輪帯構造は形成されていない。
【００２７】
情報記録面ＤＲで情報ピットにより変調されて反射光束は、再び対物レンズＯＢＪを透過した後、絞りＳＴＯを経、収差補正光学系ＢＥを通り、コリメータレンズＣＬ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により反射され、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の受光面に入射する。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、ＲＦ信号を用いて光ディスクＯＤに対して情報の記録及び／または再生を行う。
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／再生が可能に指示する図示しない光記録媒体支持手段とを有して構成されるものである。光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。
【００２８】
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いて、収差補正光学系ＢＥを構成するレンズのうち、少なくとも１つの光学面が、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は、内側（光軸に近い側）の輪帯よりも外側（光軸から遠い側）の輪帯の光路長が徐々に長くあるいは短くなるように、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２πの略整数倍の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。
【００２９】
すなわち、所定の波長をλ、輪帯構造が付加されるレンズの波長λにおける屈折率をｎとし、輪帯間の段差をΔｋとするとこの段差により生ずる位相差Φｋについて、ｍｋを整数とすると以下の式（２）が成立するように輪帯中の全ての段差Δｋが設定されている。
Φｋ＝２π（ｎ−１）Δｋ／λ≒２πｍｋ （２）
このようにすると所定の波長において各輪帯を通過する波面の輪帯境界部でのずれが少なくなり、高次の波面収差を小さくすることができる。このことは環境温度変化によるレンズの屈折率変化を考える場合も同様で、最も頻度の高い温度を基準温度とし、その温度状態での屈折率、波長をもちいて計算されるΦｋが２πのほぼ整数倍となるように輪帯構造の段差Δｋを設けるのが良い。
【００３０】
図２の光ピックアップ用光学系の場合は、収差補正光学系の最も対物レンズ側の面に輪帯状の位相構造が付与されている。この輪帯構造の作用により、対物レンズＯＢＪにより主に発生する色収差を低減することができる。対物レンズに所定の波長より長い波長の光束を入射させた際には屈折率が低下するため、焦点がレンズより離れる方向に移動する。しかるにこの輪帯構造に所定の波長より長い光束を入射させると各輪帯を通過した各波面は光軸方向にわずかづつ対物レンズに近づく方向にずれ、段差を無視すれば全体として略収束球面波となり対物レンズに入射した際には焦点が対物レンズに近づく方向に移動することになる。波長の変化量をΔλとすると、位相の変化量ΔΦは、以下の式（数１）で表される。
【数１】
【００３１】
したがって、そろっていた波面に段差に応じて光軸方向に厚い方を通過する波面が対物レンズに近づくようなずれが生ずることになる。これら効果が相殺することにより光学系全体としての色収差を低減することができる。
また、温度による位相の変化は、温度変化量をΔＴとすると、以下の式（数２）で表される。
【数２】
【００３２】
ここでαは線膨張係数であり、プラスチック材料では定式のカッコ内は負の値となるので、温度上昇に伴い、同様に略収束球面波が発生することになり、対物レンズで補正過剰の球面収差が発生することになる。対物レンズが正の屈折力のプラスチックレンズ２枚から構成される場合は温度上昇に伴い補正不足の球面収差が発生する傾向があるので、これらの効果が相殺し、光学系の温度変化による収差変化は低減される。
【００３３】
本発明に係わる光ピックアップ用光学系ＯＳのもう１つの実施の形態を図３に示す。対物レンズＯＢＪは１枚のプラスチックレンズから構成されている。収差補正光学系ＢＥは同様に、最も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ている。しかしこの例では、外側（光軸から遠い側）の輪帯が内側（光軸に近い側）の輪帯よりも光路長が短くなるように段差が設けられている。
また、基準の温度状態で所定の波長の入射光束に対して２πの略整数倍の所定の位相差を生じるような位相付加構造としての輪帯構造が形成されている。すなわち、同様に上記（２）式が成立するように輪帯中の全ての段差Δｋが設定されている。
【００３４】
このようにすると基準温度状態で、各輪帯を通過する波面の輪帯境界部でのずれが少なくなり、高次の波面収差を小さくすることができる。また、輪帯構造の温度による位相の変化は、同様に上記式（数２）で与えられるが、温度上昇に伴い、略発散球面波が発生することになる。プラスチック単レンズよりなる対物レンズでは温度上昇に伴い補正過剰の球面収差が発生するので、これらの効果が相殺し、光学系の温度変化による収差変化は低減される。
球面収差の補正法としては、上記のように対物レンズへの入射波面を輪帯構造により、略球面波を発生させる方法の他に、輪帯構造で直接補正すべき球面収差を発生させる方法もある。その場合には輪帯の段差は光軸からレンズ周辺に向かうに従い輪帯ステップ間に生ずる段差の方向が途中で反対に切り替わる構造となる。このような方法で対物レンズに発生する球面収差を補正すると対物レンズと収差補正光学系のシフトの影響が大きくなり対物レンズのトラッキング特性が悪化する。
【００３５】
また、更に前記輪帯構造は上記式（１）を満足するように形成するとよい。条件式の下限を下回ると輪帯数が多すぎで、加工難度が高かったり、あるいは補正作用が小さすぎて輪帯構造の効果を十分に得られない。逆に上限を超えると各輪帯間の段差が大きすぎ、図４に斜線で示すように透過光束中に複数の輪帯状の有意な不通過領域が生じてしまう。ディスクからの反射光がセンサーに入る際にこの不連続な透過光の瞳分布が影響し、正しい検出を妨げることとなる。
光束の不通過領域を少なくする方法としては、前記収差補正光学系の最も対物レンズ側の面に前記輪帯構造を設け、かつ最も対物レンズ側の面の曲率半径の絶対値をｒＬとし前記対物レンズの入射瞳径をＤとするとＤ／ｒＬ＜０．１を満足するようにすると、輪帯構造を通過する光線がほぼ平行光束となり、輪帯の段差部側面に入射しにくくなり、不通過領域は減少する。
【００３６】
また、この輪帯数は４以上３０以下となるように輪帯構造による補正量を設定したり、段差量を定めると加工が容易であったり、光線の不通過領域がセンサーに及ぼす影響が小さい光ピックアップ光学系が得られる。
また、前述の対物レンズの色収差は光源の波長が５００ｎｍ以下となると顕著となり、このとき収差補正光学系の１つの面に段差が光軸から離れるに従いレンズの厚さが厚くなるように設けられた輪帯構造をもたせると色収差による波面収差の劣化を小さくすることができる。
また、対物レンズのＮＡが０．７以上になると保護層厚さの変動をはじめとする擾乱による球面収差変化が大きくなるが、収差補正光学系の１つのレンズ群を光軸方向について可動とすることでこれらの球面収差変化を補正できる。
また、これらのような光ピックアップ光学系を搭載したピックアップ装置により、高密度の記録／再生が可能となる。
【００３７】
【実施例】
次に、上述した光ピックアップ用光学系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。
【表１】
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。コリメータレンズＣＬの焦点距離は１３．０３ｍｍである。また、収差補正光学系ＢＥは１．２５倍のビームエキスパンダーとなっている。
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３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３】
【００３８】
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、ｎ（４０５ｎｍ）は設計波長４０５ｎｍにおける屈折率、ｎ（４０６ｎｍ）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。
本実施例では、収差補正光学系ＢＥの正レンズの光源側の光学面（表１において第５面）を平面とし、その上に輪帯構造を形成している。各段差量をΔｋ（μｍ）、各段差の光軸からの距離ｈｋ（ｍｍ）、各輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｐｋ（ｍｍ）（図１参照）は表２に示すとおりである。また、段差を設ける面の有効半径は最終輪帯のｈｋ等しい。
【表２】
【００３９】
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。
これに対し、収差補正光学系ＢＥに図２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対物レンズＯＢＪ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対物レンズＯＢＪに１１．１５μｍ近づく（ΔＦ：−１１．１５μｍ）。
【００４０】
対物レンズＯＢＪに、収差補正光学系ＢＥ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）、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、収差補正光学系ＢＥ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。
収差補正レンズＢＥ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５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り、横軸が瞳半径を表し、縦軸が光路差を表す。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するフォーカス位置ずれにより、図５（ｂ）のように波面が変化する。
【００４１】
一方、図６は、収差補正光学系ＢＥ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、収差補正光学系ＢＥの透過波面の様子を示すグラフである。収差補正光学系ＢＥ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、収差補正光学系ＢＥの透過波面には、図６（ｂ）のように階段状の光路差が付加される。図２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収差補正光学系ＢＥ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。
【００４２】
その結果、波長λ＋Δλ（ｎｍ）の光束が入射した場合の、収差補正光学系ＢＥ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７に示されるように、収差補正光学系ＢＥ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となる。以上の原理により、収差補正光学系ＢＥの輪帯構造により、収差補正光学系ＢＥ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。
【００４３】
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。
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ので、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収差補正光学系ＢＥ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。
【００４４】
また、収差補正光学系ＢＥ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ｋ番目の段差の段差量Δｋ（μｍ）（図１参照）が決定されているが、これは、輪帯構造の段差が以下の条件を満足することと等価である。すなわち、収差補正光学系ＢＥの設計波長λ（ｎｍ）における屈折率をｎとしたとき、ｍｋ＝ＩＮＴ（Ｘ）、Ｘ＝Δｋ×（ｎ−１）／（λ×１０−３）で表されるｍｋが自然数であること。ただし、ＩＮＴ（Ｘ）はＸを四捨五入して得られる整数である。
【００４５】
図３に対応する数値実施例を表３と表４に示す。
【表３】
【表４】
この実施例は対物レンズが入射瞳径φ３ｍｍでＮＡ０．８５のプラスチック単玉よりなり、実施例１と同様にコリメータレンズＣＬと収差補正光学系ＢＥとから構成されている。収差補正光学系の最も対物側の面に輪帯構造が設けられており、光軸からレンズ周辺に向かうにつれて輪帯間の段差がレンズが薄くなるように設定されており、この面は巨視的には曲率半径の大きい凸面となっている。また、輪帯構造は１４に分割されており、各々の面は光軸に垂直になっている。
【００４６】
図８を用いて輪帯構造の作用を説明する。輪帯構造が無い場合は、温度上昇とともに光学系を構成するプラスチックレンズの屈折率が低下し、主に対物レンズで補正過剰の球面収差が発生する。この実施例では３０℃の温度上昇により０．１２λＲＭＳの収差が発生する。収差補正光学系の一部を光軸に沿って移動し、対物レンズの使用倍率をすこし変更することで補正は可能であるが、温度あるいはスポットの球面収差などを検出する必要がある。
この実施例では、表４のようにレンズ周辺部でレンズ厚みが減少するような輪帯構造を設けているので、収差補正光学系を動かさなくともこの温度変化による球面収差を補正することができる。
【００４７】
図８に基準状態での収差補正光学系の透過波面と３０℃温度上昇時の透過波面を示す。基準温度では透過波面は（ａ）のように各輪帯を通過する波面は波長の整数倍だけ光路差がずれており、波面は均一な平面波となる。一方温度が３０℃上昇すると温度上昇に伴う屈折率低下などにより個々の輪帯を出射する波面が整数倍から少しずつずれるため、図８（ｂ）のように収差補正光学系からの出射波面は巨視的には発散球面波となる。
これは、前述の収差補正光学系を構成するレンズの一部を移動させるのと同様な効果を発揮し、対物レンズの使用倍率を微小変更させる。その結果、光学系全体での波面収差は０．０１λＲＭＳ程度に補正され、温度検出や球面収差検出をすることなく温度変化に伴うプラスチック対物レンズで発生する球面収差を補正できる。光学系全体での補正結果は段差量の総和を増やすことで更に良くすることは可能であるが、各段差量が大きくなりすぎ光線不通過領域が増えたり、輪帯数が増大し加工難度が高くなるため好ましくない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、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したり、温度変化による収差変化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用の光学系を得られる。また、この光ピックアップ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記録・再生装置を得られる。
また、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に好適な光ピックアップ用の光学系であって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれ、あるいは温度変化による収差変化を良好に補正することができる光ピックアップ用の光学系を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。
【図２】光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。
【図３】光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。
【図４】輪帯構造の構成を説明するための要部平面図である。
【図５】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【図６】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【図７】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【図８】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【符号の説明】
ＢＥ 収差補正光学系
ＣＬ コリメータレンズ
ＬＤ 光源（半導体レーザ）
ＯＢＪ 対物系（対物レンズ）
ＯＤ 光ディスク（光記録媒体）
ＯＳ 光学系
ＰＵ 光ピックアップ装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系、光ピックアップ装置、及び音声・画像の記録再生装置に関する。
【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。
そのような中で、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。
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）を向上するためには、光ピックアップ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。
【０００３】
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実用化が近いといえる。
しかし、高開口数、短波長の光学系は光ディスクの保護層厚さのばらつきや部分的な変動、光源波長の変動または光源個体差、光学系の温度変化などの要因により光学系全体での収差が影響を受けやすく小さなスポット径を維持するのは難しい。
【０００４】
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、モードホッピングを起こす場合がある。かかるモードホッピングにより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による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である。
【０００５】
また、高開口数の対物レンズがプラスチックレンズで構成されている場合は、温度変化により球面収差が変動する場合がある。集光光学系の一部を動かして補正することはもちろん可能であるが、温度変化は不定期に発生するため常時スポットや収差また温度自体を監視する必要がありピックアップのコストアップにつながる。
波長変化の課題に対し、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。
また温度変化の補正に関する光学系としては、温度変化による光源波長の変化と回折を用いて補正する対物レンズが以下の特許文献２に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３１１２７１号公報
【特許文献２】
特開平１１−３３７８１８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、回折パターンは非常に微細な構造のため金型の製作が難しく、また製作過程の誤差の影響を受け、透過率の低下を招き易いという問題がある。
また、微細な構造ほどその影響が大きいため、より細かい構造のレンズ周辺ほど透過率が低下するような透過率分布を引き起こしスポットの肥大化を引き起こすという問題がある。
【０００８】
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、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したり、温度変化による収差変化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用の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記録・再生装置を提供することも本発明の目的である。
本発明は、さらに、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に好適な光ピックアップ用の光学系であって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれ、あるいは温度変化による収差変化を良好に補正することができる光ピックアップ用の光学系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】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、光記録媒体に記録及び／又は再生を行なう光ピックアップ手段を用いる光学系であって、前記光学系は、光軸を有するとともに、光源より出射された光束を前記光記録媒体上に集光する対物系と、前記光源と前記対物系との間の光学経路上に配置された２つのレンズを有し、前記光軸方向に調整可能な距離を持った収差補正光学系とを有し、前記収差補正光学系は、前記レンズの少なくとも１つのレンズ表面上に形成された輪帯構造を有し、該輪帯構造は、非周期的であり、同心輪帯状の複数の面ｋ（ｋは１〜Ｎのいずれか１つ）を有し、各輪帯面は、光軸方向に隣り合う輪帯面に対して段差を有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光学系において、第ｋ輪帯と第ｋ＋１輪帯の間の段差量をｈｋとしたとき、以下の式を実質的に満たすことを特徴とする。
ｈｋ＝ｍｋλ／（ｎ−１）
但し、ｍｋは整数、λは光源からの出射光束の波長、ｎは輪帯構造の材料の波長λの光束に対する屈折率。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の光学系において、前記光源からの光束をコリメートするためのコリメータレンズを有し、該コリメータレンズは、前記光源と前記収差補正光学系との間に配置されることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項２記載の光学系において、前記収差補正光学系の２つのレンズは、正のレンズ及び負のレンズを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の光学系において、前記段差の方向が全て同一であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学系において、前記収差補正光学系の最も前記対物系側の面に前記輪帯構造を設け、以下の式を満たすことを特徴とする。
Ｄ／ｒＬ＜０．１
但し、Ｄは対物系の入射瞳径、ｒＬは収差補正光学系の最も対物系側である面の曲率半径の絶対値。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系において、下記の式を満たすことを特徴とする。
０．２＜（ＲΣｍｋ）／（Ｎ｜ｆ｜）＜４ （１）
但し、Ｒは段差が設けられるレンズの有効半径、ｍｋ＝（ｎ−１）ｈｋ／λ、ｎは輪帯構造の材料の波長λの光束に対する屈折率、ｈｋは第ｋ輪帯と第ｋ＋１輪帯の間の段差量、λは光源からの出射光束の波長、Σｍｋは全ての輪帯の段差についての和、Ｎは前記有効半径内の輪帯数、ｆは段差が設けられるレンズの焦点距離。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光学系において、前記輪帯数Ｎが４〜３０の範囲内であることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記光源からの出射光束の波長λが５００ｎｍ以下であり、前記段差がレンズの厚さが厚くなる方向に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記光学系のＮＡが０．７以上で、前記光ピックアップ手段において発生する球面収差量を前記収差補正光学系の２つのレンズ間距離を変更することにより制御するためのレンズ移動手段を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記対物系は、プラスチック材料で構成され、ＮＡが０．７以上であり、温度変化による球面収差量を補正するように前記段差が構成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記対物系は、プラスチック材料で構成され、ＮＡが０．７以上であり、前記段差が光軸から離れるに従いレンズ厚さが薄くなる方向に付け、温度変化による前記光学系の球面収差の変化量を減少するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系において、前記対物系は、２枚のプラスチックレンズを有し、ＮＡが０．７以上であり、前記段差が光軸から離れるに従いレンズ厚さが厚くなる方向に付け、温度変化による前記光学系の球面収差の変化量を減少するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、光源と請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学系を有していることを特徴とする。
【００２３】
請求項１５に記載の発明は、光ピックアップ装置と該光ピックアップ装置による情報信号の記録及び／又は再生を可能とするために光記録媒体を支持する光記録媒体支持手段とを備えた音声及び／又は画像の記録装置、及び／又は、音声及び／又は画像の再生装置において、
前記光ピックアップ装置として請求項１４に記載の光ピックアップ装置を備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光ピックアップ用の光学系ＯＳを搭載した光ピックアップ装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図２と図３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２または図３に示すように光源となる半導体レーザＬＤを備えている。
【００２５】
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、あるいは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、コリメータレンズＣＬで平行光束となる。
この平行光束は正レンズと負レンズより構成されたビームエキスパンダー形態で構成された収差補正光学系ＢＥを通り、絞りＳＴＯを経た後、対物レンズ（対物系）ＯＢＪによって光ディスク（光記録媒体）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。
【００２６】
収差補正光学系ＢＥのうち凹レンズ群の周辺に１軸のアクチュエータＡＣＥが配置され、光軸方向に凹レンズ群を移動させることで対物レンズへの入射光束を平行光束からわずかに収斂あるいは発散光束となるように変化させる。これによって保護層厚みの変動や、光源波長のばらつき、光学系の温度変化、更に２層ディスクの層間隔により発生する球面収差を補正することができる。
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およ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増値ＰＵに精度よく取付けることができる。尚、対物レンズＯＢＪには、輪帯構造は形成されていない。
【００２７】
情報記録面ＤＲで情報ピットにより変調されて反射光束は、再び対物レンズＯＢＪを透過した後、絞りＳＴＯを経、収差補正光学系ＢＥを通り、コリメータレンズＣＬ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により反射され、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の受光面に入射する。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、ＲＦ信号を用いて光ディスクＯＤに対して情報の記録及び／または再生を行う。
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／再生が可能に指示する図示しない光記録媒体支持手段とを有して構成されるものである。光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。
【００２８】
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いて、収差補正光学系ＢＥを構成するレンズのうち、少なくとも１つの光学面が、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は、内側（光軸に近い側）の輪帯よりも外側（光軸から遠い側）の輪帯の光路長が徐々に長くあるいは短くなるように、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２πの略整数倍の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。
【００２９】
すなわち、所定の波長をλ、輪帯構造が付加されるレンズの波長λにおける屈折率をｎとし、輪帯間の段差をΔｋとするとこの段差により生ずる位相差Φｋについて、ｍｋを整数とすると以下の式（２）が成立するように輪帯中の全ての段差Δｋが設定されている。
Φｋ＝２π（ｎ−１）Δｋ／λ≒２πｍｋ （２）
このようにすると所定の波長において各輪帯を通過する波面の輪帯境界部でのずれが少なくなり、高次の波面収差を小さくすることができる。このことは環境温度変化によるレンズの屈折率変化を考える場合も同様で、最も頻度の高い温度を基準温度とし、その温度状態での屈折率、波長をもちいて計算されるΦｋが２πのほぼ整数倍となるように輪帯構造の段差Δｋを設けるのが良い。
【００３０】
図２の光ピックアップ用光学系の場合は、収差補正光学系の最も対物レンズ側の面に輪帯状の位相構造が付与されている。この輪帯構造の作用により、対物レンズＯＢＪにより主に発生する色収差を低減することができる。対物レンズに所定の波長より長い波長の光束を入射させた際には屈折率が低下するため、焦点がレンズより離れる方向に移動する。しかるにこの輪帯構造に所定の波長より長い光束を入射させると各輪帯を通過した各波面は光軸方向にわずかづつ対物レンズに近づく方向にずれ、段差を無視すれば全体として略収束球面波となり対物レンズに入射した際には焦点が対物レンズに近づく方向に移動することになる。波長の変化量をΔλとすると、位相の変化量ΔΦは、以下の式（数１）で表される。
【数１】
したがって、そろっていた波面に段差に応じて光軸方向に厚い方を通過する波面が対物レンズに近づくようなずれが生ずることになる。これら効果が相殺することにより光学系全体としての色収差を低減することができる。
また、温度による位相の変化は、温度変化量をΔＴとすると、以下の式（数２）で表される。
【数２】
ここでαは線膨張係数であり、プラスチック材料では定式のカッコ内は負の値となるので、温度上昇に伴い、同様に略収束球面波が発生することになり、対物レンズで補正過剰の球面収差が発生することになる。対物レンズが正の屈折力のプラスチックレンズ２枚から構成される場合は温度上昇に伴い補正不足の球面収差が発生する傾向があるので、これらの効果が相殺し、光学系の温度変化による収差変化は低減される。
【００３３】
本発明に係わる光ピックアップ用光学系ＯＳのもう１つの実施の形態を図３に示す。対物レンズＯＢＪは１枚のプラスチックレンズから構成されている。収差補正光学系ＢＥは同様に、最も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ている。しかしこの例では、外側（光軸から遠い側）の輪帯が内側（光軸に近い側）の輪帯よりも光路長が短くなるように段差が設けられている。
また、基準の温度状態で所定の波長の入射光束に対して２πの略整数倍の所定の位相差を生じるような位相付加構造としての輪帯構造が形成されている。すなわち、同様に上記（２）式が成立するように輪帯中の全ての段差Δｋが設定されている。
【００３４】
このようにすると基準温度状態で、各輪帯を通過する波面の輪帯境界部でのずれが少なくなり、高次の波面収差を小さくすることができる。また、輪帯構造の温度による位相の変化は、同様に上記式（数２）で与えられるが、温度上昇に伴い、略発散球面波が発生することになる。プラスチック単レンズよりなる対物レンズでは温度上昇に伴い補正過剰の球面収差が発生するので、これらの効果が相殺し、光学系の温度変化による収差変化は低減される。
球面収差の補正法としては、上記のように対物レンズへの入射波面を輪帯構造により、略球面波を発生させる方法の他に、輪帯構造で直接補正すべき球面収差を発生させる方法もある。その場合には輪帯の段差は光軸からレンズ周辺に向かうに従い輪帯ステップ間に生ずる段差の方向が途中で反対に切り替わる構造となる。このような方法で対物レンズに発生する球面収差を補正すると対物レンズと収差補正光学系のシフトの影響が大きくなり対物レンズのトラッキング特性が悪化する。
【００３５】
また、更に前記輪帯構造は上記式（１）を満足するように形成するとよい。条件式の下限を下回ると輪帯数が多すぎで、加工難度が高かったり、あるいは補正作用が小さすぎて輪帯構造の効果を十分に得られない。逆に上限を超えると各輪帯間の段差が大きすぎ、図４に斜線で示すように透過光束中に複数の輪帯状の有意な不通過領域が生じてしまう。ディスクからの反射光がセンサーに入る際にこの不連続な透過光の瞳分布が影響し、正しい検出を妨げることとなる。
光束の不通過領域を少なくする方法としては、前記収差補正光学系の最も対物レンズ側の面に前記輪帯構造を設け、かつ最も対物レンズ側の面の曲率半径の絶対値をｒＬとし前記対物レンズの入射瞳径をＤとするとＤ／ｒＬ＜０．１を満足するようにすると、輪帯構造を通過する光線がほぼ平行光束となり、輪帯の段差部側面に入射しにくくなり、不通過領域は減少する。
【００３６】
また、この輪帯数は４以上３０以下となるように輪帯構造による補正量を設定したり、段差量を定めると加工が容易であったり、光線の不通過領域がセンサーに及ぼす影響が小さい光ピックアップ光学系が得られる。
また、前述の対物レンズの色収差は光源の波長が５００ｎｍ以下となると顕著となり、このとき収差補正光学系の１つの面に段差が光軸から離れるに従いレンズの厚さが厚くなるように設けられた輪帯構造をもたせると色収差による波面収差の劣化を小さくすることができる。
また、対物レンズのＮＡが０．７以上になると保護層厚さの変動をはじめとする擾乱による球面収差変化が大きくなるが、収差補正光学系の１つのレンズ群を光軸方向について可動とすることでこれらの球面収差変化を補正できる。
また、これらのような光ピックアップ光学系を搭載したピックアップ装置により、高密度の記録／再生が可能となる。
【００３７】
【実施例】
次に、上述した光ピックアップ用光学系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。
【表１】
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３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３】
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、ｎ（４０５ｎｍ）は設計波長４０５ｎｍにおける屈折率、ｎ（４０６ｎｍ）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。
本実施例では、収差補正光学系ＢＥの正レンズの光源側の光学面（表１において第５面）を平面とし、その上に輪帯構造を形成している。各段差量をΔｋ（μｍ）、各段差の光軸からの距離ｈｋ（ｍｍ）、各輪帯の光軸に垂直な方向の幅Ｐｋ（ｍｍ）（図１参照）は表２に示すとおりである。また、段差を設ける面の有効半径は最終輪帯のｈｋ等しい。
【表２】
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。
これに対し、収差補正光学系ＢＥに図２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対物レンズＯＢＪ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対物レンズＯＢＪに１１．１５μｍ近づく（ΔＦ：−１１．１５μｍ）。
【００４０】
対物レンズＯＢＪに、収差補正光学系ＢＥ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）、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、収差補正光学系ＢＥ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。
収差補正レンズＢＥ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５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り、横軸が瞳半径を表し、縦軸が光路差を表す。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するフォーカス位置ずれにより、図５（ｂ）のように波面が変化する。
【００４１】
一方、図６は、収差補正光学系ＢＥ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、収差補正光学系ＢＥの透過波面の様子を示すグラフである。収差補正光学系ＢＥ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、収差補正光学系ＢＥの透過波面には、図６（ｂ）のように階段状の光路差が付加される。図２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収差補正光学系ＢＥ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。
【００４２】
その結果、波長λ＋Δλ（ｎｍ）の光束が入射した場合の、収差補正光学系ＢＥ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７に示されるように、収差補正光学系ＢＥ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となる。以上の原理により、収差補正光学系ＢＥの輪帯構造により、収差補正光学系ＢＥ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。
【００４３】
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。
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ので、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収差補正光学系ＢＥ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。
【００４４】
また、収差補正光学系ＢＥ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ｋ番目の段差の段差量Δｋ（μｍ）（図１参照）が決定されているが、これは、輪帯構造の段差が以下の条件を満足することと等価である。すなわち、収差補正光学系ＢＥの設計波長λ（ｎｍ）における屈折率をｎとしたとき、ｍｋ＝ＩＮＴ（Ｘ）、Ｘ＝Δｋ×（ｎ−１）／（λ×１０−３）で表されるｍｋが自然数であること。ただし、ＩＮＴ（Ｘ）はＸを四捨五入して得られる整数である。
【００４５】
図３に対応する数値実施例を表３と表４に示す。
【表３】
【００４６】
図８を用いて輪帯構造の作用を説明する。輪帯構造が無い場合は、温度上昇とともに光学系を構成するプラスチックレンズの屈折率が低下し、主に対物レンズで補正過剰の球面収差が発生する。この実施例では３０℃の温度上昇により０．１２λＲＭＳの収差が発生する。収差補正光学系の一部を光軸に沿って移動し、対物レンズの使用倍率をすこし変更することで補正は可能であるが、温度あるいはスポットの球面収差などを検出する必要がある。
この実施例では、表４のようにレンズ周辺部でレンズ厚みが減少するような輪帯構造を設けているので、収差補正光学系を動かさなくともこの温度変化による球面収差を補正することができる。
【００４７】
図８に基準状態での収差補正光学系の透過波面と３０℃温度上昇時の透過波面を示す。基準温度では透過波面は（ａ）のように各輪帯を通過する波面は波長の整数倍だけ光路差がずれており、波面は均一な平面波となる。一方温度が３０℃上昇すると温度上昇に伴う屈折率低下などにより個々の輪帯を出射する波面が整数倍から少しずつずれるため、図８（ｂ）のように収差補正光学系からの出射波面は巨視的には発散球面波となる。
これは、前述の収差補正光学系を構成するレンズの一部を移動させるのと同様な効果を発揮し、対物レンズの使用倍率を微小変更させる。その結果、光学系全体での波面収差は０．０１λＲＭＳ程度に補正され、温度検出や球面収差検出をすることなく温度変化に伴うプラスチック対物レンズで発生する球面収差を補正できる。光学系全体での補正結果は段差量の総和を増やすことで更に良くすることは可能であるが、各段差量が大きくなりすぎ光線不通過領域が増えたり、輪帯数が増大し加工難度が高くなるため好ましくない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、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したり、温度変化による収差変化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用の光学系を得られる。また、この光ピックアップ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記録・再生装置を得られる。
また、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に好適な光ピックアップ用の光学系であって、製造が容易で、かつ、低コストでありながらも、集光スポットの波長変化に対するフォーカス位置ずれ、あるいは温度変化による収差変化を良好に補正することができる光ピックアップ用の光学系を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。
【図２】光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。
【図３】光ピックアップ装置の構成を示す要部平面図である。
【図４】輪帯構造の構成を説明するための要部平面図である。
【図５】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【図６】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【図７】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【図８】輪帯構造によるフォーカス位置ずれの補正の原理を説明ためのグラフである。
【符号の説明】
ＢＥ 収差補正光学系
ＣＬ コリメータレンズ
ＬＤ 光源（半導体レーザ）
ＯＢＪ 対物系（対物レンズ）
ＯＤ 光ディスク（光記録媒体）
ＯＳ 光学系
ＰＵ 光ピックアップ装置
Claims (15)
- 光記録媒体に記録及び／又は再生を行なう光ピックアップ手段を用いる光学系であって、
前記光学系は、光軸を有するとともに、
光源より出射された光束を前記光記録媒体上に集光する対物系と、
前記光源と前記対物系との間の光学経路上に配置された２つのレンズを有し、前記光軸方向に調整可能な距離を持った収差補正光学系とを有し、
前記収差補正光学系は、前記レンズの少なくとも１つのレンズ表面上に形成された輪帯構造を有し、該輪帯構造は、非周期的であり、同心輪帯状の複数の面ｋ（ｋは１〜Ｎのいずれか１つ）を有し、各輪帯面は、光軸方向に隣り合う輪帯面に対して段差を有していることを特徴とする光学系。 - 第ｋ輪帯と第ｋ＋１輪帯の間の段差量をｈｋとしたとき、以下の式を実質的に満たすことを特徴とする請求項１記載の光学系。
ｈｋ＝ｍｋλ／（ｎ−１）
但し、ｍｋは整数、λは光源からの出射光束の波長、ｎは輪帯構造の材料の波長λの光束に対する屈折率。 - 前記光源からの光束をコリメートするためのコリメータレンズを有し、該コリメータレンズは、前記光源と前記収差補正光学系との間に配置されることを特徴とする請求項１記載の光学系。
- 前記収差補正光学系の２つのレンズは、正のレンズ及び負のレンズを有することを特徴とする請求項２記載の光学系。
- 前記段差の方向が全て同一であることを特徴とする請求項１記載の光学系。
- 前記収差補正光学系の最も前記対物系側の面に前記輪帯構造を設け、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学系。
Ｄ／ｒＬ＜０．１
但し、Ｄは対物系の入射瞳径、ｒＬは収差補正光学系の最も対物系側である面の曲率半径の絶対値。 - 下記の式を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系。
０．２＜（ＲΣｍｋ）／（Ｎ｜ｆ｜）＜４ （１）
但し、Ｒは段差が設けられるレンズの有効半径、ｍｋ＝（ｎ−１）ｈｋ／λ、ｎは輪帯構造の材料の波長λの光束に対する屈折率、ｈｋは第ｋ輪帯と第ｋ＋１輪帯の間の段差量、λは光源からの出射光束の波長、Σｍｋは全ての輪帯の段差についての和、Ｎは前記有効半径内の輪帯数、ｆは段差が設けられるレンズの焦点距離。 - 前記輪帯数Ｎが４〜３０の範囲内であることを特徴とする請求項７に記載の光学系。
- 前記光源からの出射光束の波長λが５００ｎｍ以下であり、前記段差がレンズの厚さが厚くなる方向に設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記光学系のＮＡが０．７以上で、前記光ピックアップ手段において発生する球面収差量を前記収差補正光学系の２つのレンズ間距離を変更することにより制御するためのレンズ移動手段を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記対物系は、プラスチック材料で構成され、ＮＡが０．７以上であり、温度変化による球面収差量を補正するように前記段差が構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記対物系は、プラスチック材料で構成され、ＮＡが０．７以上であり、前記段差が光軸から離れるに従いレンズ厚さが薄くなる方向に付け、温度変化による前記光学系の球面収差の変化量を減少するようにしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系。
- 前記対物系は、２枚のプラスチックレンズを有し、ＮＡが０．７以上であり、前記段差が光軸から離れるに従いレンズ厚さが厚くなる方向に付け、温度変化による前記光学系の球面収差の変化量を減少するようにしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学系。
- 光源と請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学系を有していることを特徴とする光ピックアップ装置。
- 光ピックアップ装置と該光ピックアップ装置による情報信号の記録及び／又は再生を可能とするために光記録媒体を支持する光記録媒体支持手段とを備えた音声及び／又は画像の記録装置、及び／又は、音声及び／又は画像の再生装置において、
前記光ピックアップ装置として請求項１４に記載の光ピックアップ装置を備えたことを特徴とする音声及び／又は画像の記録装置、及び／又は、音声及び／又は画像の再生装置。
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