JP2005038481A - Optical system for optical pickup device, optical pickup device, optical information recording and reproducing apparatus - Google Patents

Optical system for optical pickup device, optical pickup device, optical information recording and reproducing apparatus Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element for an optical pickup device which can secure sufficient working distance, is rectified in chromatic aberration and spherical aberration over wavelength change of incoming luminous flux and furthermore, and is high in optical use efficiency; an optical pickup device carrying this optical element as an objective lens; and an optical information recording and reproducing apparatus carrying this optical pickup device. <P>SOLUTION: This optical pickup device 10 in an optical system for the optical pickup device is constituted of; an aberration compensation element 40 made of plastic; and a glass condenser lens 50 for carrying out imaging of the luminous flux ejected from the aberration compensation element. The aberration compensation element has at least one for each of optical surfaces on which a diffraction structure 70 is formed and an optical surfaces on which an optical path difference grant structure 60 is formed, and the condenser lens is a refraction single lens of one group of one piece configuration having at least one non-spherical face. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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の光学系、光ピックアップ装置及び光情報記録再生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の光ディスクの高密度化に伴い、光ディスクへの記録/再生に使用される光ピックアップ装置の対物レンズは、集光スポットをより小さくするという要求からその開口数(NA)が高いものが用いられるようになっている。
例えば、波長λが405nmの青紫色半導体レーザー光源を使用する高密度光ディスク用の光ピックアップ装置では、高密度化を達成するために開口数NAが0.85の対物レンズを用いることが提案されている。
【0003】
開口数が0.85の対物レンズとして、入射光束に対する屈折力を二つのレンズに分担させることで、個々のレンズの製造公差を緩和することでNA0.85を達成したガラス製の2群レンズが以下の特許文献1に記載されている。
しかし、波長405nmのレーザー光束と、NA0.85の対物レンズを使用する高密度ディスクでは、0.1mmの厚さの保護層を採用しているので、保護層表面の傷が情報の記録/再生特性に与える影響が大きい。そのため、対物レンズの設計において作動距離を確保することは、対物レンズが光ディスクとの干渉により保護層表面を傷つけることを防ぐ上で非常に重要となる。
【0004】
2群構成の対物レンズでは、入射光束を2つのレンズのそれぞれで屈折させて光ディスクの情報記録面上に集光させるため、光ディスクに対向する光学面を通過する際のマージナル光線の光軸からの高さが小さくなり、対物レンズから光ディスクまでの距離(作動距離)が短くなるので、対物レンズと光ディスクが干渉しやすくなる。特に、特許文献1に記載されている様なガラス製の2群対物レンズでは、その質量が大きくなるため、対物レンズが光ディスクとの干渉により保護層表面に傷を付ける可能性が非常に高くなる。
【0005】
かかる問題に対応すべく、以下の特許文献2に記載されているような、NA0.85のガラス製の単レンズが提案されている。
単レンズ構成とすることで、作動距離を大きく確保でき、又、軽量となるので、対物レンズと光ディスクとの干渉による保護層表面の破損を防ぐことが可能となるが、NA0.85の単レンズでは、光源側の光学面の曲率が大きくなりがちであるので、光学面同士の光軸ずれにより容易にコマ収差が発生してしまう。そのため、NA0.85の単レンズの生産効率を高めるためには、高屈折率ガラス材料を使用することで、光学面同士の光軸ずれに対するマージンを十分に確保する必要がある。
【0006】
また、光ピックアップ装置では、一般に情報の再生時のパワーよりも記録時のレーザーパワーのほうが大きいため、再生から記録に切り替える際に出力変化によりレーザー光源の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などの不具合が生じる。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。
【0007】
単レンズは2群レンズと比較して、入射光束の同じ波長変化に対する色収差の発生量は大きくなる傾向があり、特に、上述のガラス製の単レンズにおいて、光学面同士の光軸ずれに対するマージンを十分に確保するために、高屈折率ガラス材料を使用した場合には、かかるフォーカス位置ずれがより大きくなる。これは、高屈折率ガラス材料は一般的に波長分散が大きく、かかる高屈折率ガラス材料からなる単レンズの色収差が大きくなるためである。以上の理由から、青紫色半導体レーザーを光源として使用し、対物レンズとして高屈折率ガラス製の単レンズを使用する場合には、対物レンズの色収差の補正は必須となる。
【0008】
ところで、従来、CD、MO、DVDなどの光情報記録媒体の記録/再生用の光ピックアップ装置に用いられる対物レンズには、主にプラスチック製の単レンズが用いられている。
プラスチックレンズは、ガラスレンズに比べて比重が小さいため、対物レンズを駆動するアクチュエータへの負担を軽減でき、対物レンズの追従を高速に行うことができる。
また、プラスチック材料を金型で射出成形して製造されるプラスチックレンズは、所望の金型を製造よく作製することで、高精度に大量生産することが可能であり、レンズの高性能や低コスト化を図ることが可能となる。
【0009】
従って、作動距離を大きく確保するという点で、2群構成のレンズに対して有利な高密度光ディスク用の単レンズ構成の対物レンズにおいても、軽量、且つ、安定した性能で低コストに大量生産可能なプラスチックレンズを使用するのが好ましい。
しかるに、高NAの単レンズをプラスチックレンズとした場合、温度変化に伴う屈折率変化により発生する球面収差(以下、本明細書ではかかる球面収差を「温度収差」と呼ぶ)が問題となる。これは、温度変化に伴う屈折率変化において、プラスチックレンズがガラスレンズに比べて2桁程度大きいことに起因する。この温度収差は、NAの4乗に比例するので、高密度光ディスクに用いられるNA0.85の対物レンズをプラスチックレンズとした場合には、使用可能な温度範囲が非常に狭くなるという問題があった。
【0010】
このような問題に対して、プラスチック材料中に直径10nm〜15nmの無機材料を混合することで、プラスチック材料の成形性を保持したまま、温度変化に伴う屈折率を低減した新しい光学材料(以下、本明細書では、かかる光学材料を「アサーマル樹脂」と呼ぶ)が発表された(2003年7月4日付け日刊工業新聞)。この発表によると、温度が上昇すると屈折率が下がるプラスチック材料(この発表による例では、アクリル樹脂)に、温度が上昇すると屈折率が上昇する無機材料(この発表による例では、酸化ニオブ(Nb))を体積比で4:1の割合で均質に混成することで両者の屈折率の温度依存性を打ち消すことが可能となる。
このようなアサーマル樹脂を使用することで環境温度が変化しても集光性能が劣化しないNA0.85の単レンズが射出成形により大量生産することが可能となるが、依然として色収差に関する問題は残る。
【0011】
対物レンズの色収差を簡単な構成で補正するための素子として、回折作用を利用した回折素子が公知である。青紫色半導体レーザーを光源として使用する光ピックアップ装置において、対物レンズの色収差を補正するためのかかる回折素子を備えた光ピックアップ装置が、以下の特許文献3に記載されている。
特許文献3に記載された光ピックアップ装置は、青紫色半導体レーザー光源と対物レンズとの間の平行光束中に配置された回折素子により、対物レンズの色収差を補正するものであり、半導体レーザーの波長が長くなる方向に変化した場合には、回折素子から射出されて対物レンズに向かう光束が回折作用により収斂光束となり、半導体レーザーの波長が短くなる方向に変化した場合には、発散光束となることで対物レンズの色収差が補正される。
【0012】
尚、本明細書においては、光学素子により集光されたスポットの径が最小となる集光位置を「フォーカス位置」といい、入射光束の波長変化によるフォーカス位置の移動を「フォーカス位置ずれ」という。本明細書においては、「フォーカス位置ずれ」と「色収差」とは同義であり、入射光束の所定量の波長変化に対する光学素子の色収差に起因して発生する波面収差変化を回折限界以下となるように補正することを「色収差の補正」という。
【0013】
【特許文献1】
特開平10−123410号公報
【特許文献2】
特開2003−114383号公報
【特許文献3】
特開2001−256672号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体レーザーの波長変化により、回折素子を透過して対物レンズに向かう光束の発散度が変化すると、対物レンズの倍率が変化するため球面収差が発生する。特に、高屈折率ガラス製の単レンズの色収差を補正するためには、回折素子を透過して対物レンズに向かう光束の、半導体レーザーの波長変化に伴う発散度変化(即ち、近軸における回折パワー)を大きく設定する必要があり、この結果、半導体レーザーの波長が変化した場合に、対物レンズの倍率変化に伴う球面収差変化がより大きくなる。
【0015】
半導体レーザーは、環境温度の変化やアクチュエータからの放熱により温度が上昇すると、発振波長が長くなる特性を有するが、高屈折率ガラス製の単レンズの色収差の補正のために、回折素子を使用する光ピックアップ装置では、波長変化に対する球面収差変化が大きくなるため、温度変化に伴う半導体レーザーの波長変化により発生する球面収差変化は無視できない量となる。
更に、光ピックアップ装置において光源として使用される半導体レーザーは、製造誤差により個々の発振波長に±10nm程度の波長ばらつきがある。そのため、対物レンズの波長変化に対する球面収差変化が大きいと、基準となる波長からずれた半導体レーザーを使用することを用いることができず、半導体レーザーの選別が必要となり、光ピックアップ装置の製造コストが上昇する。
【0016】
また、前述した、アサーマル樹脂製の単レンズにおいても、回折素子により色収差を補正した場合には、やはり、環境温度の変化や個々の発振波長ばらつきにより回折素子への入射波長が変化した際の、対物レンズの倍率変化に伴う球面収差変化は無視できない量となる。
これは、倍率変化に伴う球面収差変化量がNAの4乗と、1/λとに比例して増大するからであり、仮に、アサーマル樹脂の波長分散が、現在において光ディスク用の光学素子の材料として使用可能なガラス材料のうち、最小の波長分散を有する材料(d線におけるアッベ数が70程度)と同等まで改善されたとしても、回折素子への入射波長が変化した際に、倍率変化に伴って発生する球面収差の補正は必要となる。
【0017】
ここで、上述の回折素子に球面収差の波長依存性を持たせることで、波長変化に対する球面収差変化を補正することも可能であるが、入射光束の波長変化に対するフォーカス位置ずれに加えて、入射光束の波長変化に対する球面収差変化も補正する場合には、回折構造の輪帯に垂直な方向の幅が小さくなるので、成形時の転写不良による回折効率の低下や、輪帯の光軸方向の段差に入射する光束がその進路を遮断されることに伴う光利用効率の低下が懸念される。更に、輪帯の数が増大するので金型加工に要する時間が長くりなり回折素子の製造コストが上昇する。
【0018】
本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、十分な作動距離を確保でき、色収差及び入射光束の波長変化に対する球面収差が補正され、更に、光利用効率の高い光ピックアップ装置用の光学素子、及びこの光学素子を対物レンズとして搭載した光ピックアップ装置、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である。
【0019】
【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、プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるためのガラス製の集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも1つずつ有し、前記集光レンズは、非球面を少なくとも1つ有する1群1枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする。
【0020】
請求項1に記載の発明によれば、入射光束に対する屈折力を専ら光ディスク側に配置される集光レンズに持たせることで、作動距離を大きく確保することが可能となり、対物レンズと光ディスクとの干渉を防ぐことが出来る。更に、回折構造により集光レンズの色収差を補正しているので、レーザーのモードホッピングにより、入射光束の波長が瞬時的に変化した場合においても良好な記録/再生特性を維持できる。
【0021】
また、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴う半導体レーザーの波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無く、且つ、製造誤差により発振波長が基準波長からずれた半導体レーザーを使用しても球面収差が大きくなりすぎることは無い。
そして、回折構造を軸上色収差補正用として用い、光路差付与構造を色球面収差補正用として用いることにより、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが長くなり収差補正素子成形時の転写性が向上する。更に、収差補正素子の光学面上に、回折構造や光路差付与構造の如き微細な段差を有する構造を形成しているので、回折構造に入射する光束のうち、その進路が遮断されて集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【0022】
尚、入射光束煮対する屈折力のほとんどを負担する集光レンズは、製造における光学面同士の光軸ずれに対するマージンを十分に確保するために、本発明による光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の発振波長における屈折率が1.55以上のガラス材料から構成されるのが望ましい。
なお、本明細書においては、情報の記録/再生用の光源として、青紫色半導体レーザーや青紫色SHGレーザー等の青紫色レーザーを使用する光ディスクを、総称して「高密度光ディスク」といい、NA0.85の対物光学系により情報の記録/再生を行い、保護層の厚さが0.1mm程度である規格の光ディスクのほかに、NA0.65の対物光学系により情報の記録/再生を行い、保護層の厚さが0.6mm程度である規格の光ディスクも含むものとする。また、このような保護層をその情報記録面上に有する光ディスクのほかに、情報記録面上に数〜数十nmの厚さの保護膜を有する光ディスクや、あるいは保護膜の厚さが0である光ディスクも含むものとする。また、本明細書においては、高密度光ディスクには、情報の記録/再生用の光源として、青紫色レーザーを使用する光磁気ディスクも含むものとする。
【0023】
また、本明細書においては、「収差補正素子」とは入射光束の波長変化に伴い他の光学素子で発生する波面収差変化を抑制する機能を有する光学素子を指し、「集光レンズ」とは、「収差補正素子」から射出された光束を集光し結像する機能を有する光学素子をさす。即ち、「収差補正素子」は、入射光束の波長変化に伴い「集光レンズ」で発生する波面収差変化を抑制する。
そして、「収差補正素子」と「集光レンズ」から構成される光学素子を、光ピックアップ装置において対物レンズとして使用する場合は、「収差補正素子」は集光レンズよりもレーザー光源に近い位置に配置され、「集光レンズ」は収差補正素子よりも光ディスクに近い位置に配置される。
【0024】
また、本明細書においては、「光路差付与構造」は、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差を持って分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、入射光束の波長が所定の波長においては、隣接する輪帯を通過する波面間で入射光束の波長の整数倍の光路差を発生し、波長が前記所定の波長から変化した場合においては、隣接する輪帯を通過する波面間で発生する光路差が入射光束の波長の整数倍からずれるような特性を有する構造を指す。
かかる「光路差付与構造」の具体的な構造は、中心領域の外側に隣接する輪帯は、該中心領域に対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されかつ、最大有効径位置の75%の位置における輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されている構造である。
ここで、「中心領域」とは光軸を含み、光軸から最も近い位置の段差で囲まれる光学領域を指す。
【0025】
また、本明細書において、「回折構造」は、光軸を含む中心領域と該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成される構造であって、入射光束が所定の波長である場合には、隣接する輪帯を通過する波面間で入射光の波長の整数倍の光路差を、回折作用により発生し、入射光束の波長が、前記所定の波長から変化した場合においては、隣接する輪帯を通過する波面間で発生する光路差が入射光束の波長の整数倍からずれるような特性を有する構造を指す。
かかる「回折構造」の具体的な構造は、光軸を含む断面形状が、光軸から離れるに従い、光路長が長くなるように光軸方向に変移している階段形状である構造や、光軸を含む断面形状が鋸歯形状である構造である。
【0026】
請求項2に記載の発明は、プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるための集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも1つずつ有し、前記集光レンズは、プラスチック材料中に、直径が30nm以下の粒子を分散させた材料を用いて成形された、非球面を少なくとも1つ有する1群1枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする。
【0027】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズは、以下の(1)式を満たすことを特徴とする。
|A|<10×10−5 (1)
但し、Aは温度変化に対する前記集光レンズの屈折率の変化率であり、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長に対する前記集光レンズの屈折率n、前記集光レンズの線膨張係数α、前記集光レンズの分子屈折力[R]により、上記数1式であらわされる。
【0028】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズは、以下の(2)式を満たすことを特徴とする。
|A|<8×10−5 (2)
【0029】
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズは、以下の(3)式を満たすことを特徴とする。
|A|<6×10−5 (3)
【0030】
請求項6に記載の発明は、請求項2〜5のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記粒子は無機材料であることを特徴とする。
【0031】
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記無機材料が酸化物であることを特徴とする。
【0032】
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記酸化物が飽和酸化状態であることを特徴とする。
【0033】
請求項9に記載の発明は、請求項2〜8のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記集光レンズ中における、前記プラスチック材料と前記粒子との体積比が、9:1乃至9:6の範囲内であることを特徴とする。
【0034】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明による光学系と同様に、入射光束に対する屈折力を専ら光ディスク側に配置される集光レンズに持たせることで、作動距離を大きく確保することが可能となり、対物レンズと光ディスクとの干渉を防ぐことができる。
また、集光レンズの材料として、プラスチック材料中に、直径が30nm以下の粒子を分散させた材料を使用することにより、プラスチック材料の成形性を保持したまま、温度変化に伴う屈折率を低減しているので、高NAの単レンズでありながら、屈折率変化による球面収差変化を小さく抑えることができる。
そして、回折構造により集光レンズの色収差を補正しているので、レーザーのモードホッピングにより、入射光束の波長が瞬時的に変化した場合においても良好な記録/再生特性を維持できる。
【0035】
また、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴う半導体レーザーの波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無く、且つ、製造誤差により発振波長が基準波長からずれた半導体レーザーを使用しても球面収差が大きくなりすぎることは無い。
そして、回折構造を軸上色収差補正用として用い、光路差付与構造を色球面収差補正用として用いることにより、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが長くなり収差補正素子成形時の転写性が向上する。更に、収差補正素子の光学面上に、回折構造や光路差付与構造の如き微細な段差を有する構造を形成しているので、回折構造に入射する光束のうち、その進路が遮断されて集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【0036】
ここで、本発明の光学系における集光レンズの屈折率の温度変化について説明する。温度変化に対する屈折率の変化率は、Lorentz−Lorenzの公式に基づいて、屈折率nを温度tで微分することにより、上記数1中のAで表される。
一般的なプラスチック材料の場合は、数1の第1項に比べて第2項の寄与が小さいので第2項はほぼ無視出来る。たとえば、アクリル樹脂(PMMA)の場合、線膨張係数αは7×10−5である、上式に代入すると、A=−12×10−5となり、実測値と概ね一致する。
【0037】
ここで、本発明の光学系における集光レンズでは、直径が30nm以下の微粒子プラスチック材料中に分散させることにより、実質的に上式の第2項の寄与を大きくし、第1項の線膨張による変化と打ち消しあうようにさせている。
具体的には、請求項3の発明に記載されているように、従来は−12×10−5程度であった温度変化に対する屈折率変化率を、絶対値で10×10−5未満に抑えることが好ましい。より好ましくは、請求項4の発明に記載されているように、8×10−5未満、更に好ましくは、請求項5の発明に記載されているように、6×10−5未満に抑えることが、集光レンズの温度変化に伴う球面収差変化を低減するうえで好ましい。
例えば、アクリル樹脂(PMMA)に、酸化二オブ(Nb)の微粒子を分散させることにより、このような温度変化に対する屈折率変化の依存性を解消することが出来る。
【0038】
母材となるプラスチック材料は、体積比で80、酸化二オブは20程度の割合であり、これらを均一に混合する。微粒子は凝集しやすいという問題があるが、粒子表面に電荷を与えて分散させる技術も知られており、必要な分散状態を生じさせることが出来る。
尚、この体積比率は、温度変化に対する屈折率の変化の割合をコントロールするために、適宜増減できるし、複数種類のナノサイズ無機粒子をブレンドして分散させることも可能である。
体積比率では、上記の例では80:20であるが、請求項9の発明に記載されているように、90:10〜60:40までの間で適宜調整可能である。90:10よりも体積比率が小さいと屈折率変化抑制の効果が小さくなり、逆に、60:40を超えるとアサーマル樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。
【0039】
また、請求項6の発明に記載されているように、微粒子は無機物であることが好ましく、更に、請求項7の発明に記載されているように、酸化物であることが好ましい。そして、請求項8の発明に記載されているように、酸化状態が飽和していて、それ以上酸化しない酸化物であることが好ましい。
無機物であることは、高分子有機化合物であるプラスチック材料との反応を低く抑えるために好ましく、また酸化物であることによって、青紫色レーザーの長時間の照射に伴う透過率劣化や波面収差劣化を防ぐことが出来る。特に、高温下において青紫色レーザーが照射されるという過酷な条件において、酸化が促進されやすくなるが、このような無機酸化物であれば、酸化による透過率劣化や波面収差劣化を防ぐことが出来る
【0040】
尚、プラスチック材料に分散させる微粒子の直径が大きいと、入射光束の散乱が生じやすくなり集光レンズの透過率が低下する。高密度光ディスクにおいて、情報の記録/再生に使用される青紫色半導体レーザーでは、長時間にわたり安定したレーザー発振を得られるレーザパワーは30mW程度であるので、光学素子の青紫色レーザーに対する透過率が低いと、情報の記録の高速化、多層ディスク対応という観点で不利となる。従って、プラスチック材料に分散させる微粒子の直径は、好ましくは20nm以下、更に好ましくは10〜15nm以下であることが集光レンズの透過率低下を防ぐうえで好ましい。
【0041】
請求項10に記載の発明は、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子は、1群1枚構成の単レンズであることを特徴とする。
【0042】
請求項11に記載の発明は、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、Φ=b・h+b・h+b・h+・・・・・・で定義される光路差関数Φ(mm)により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に(ここで、hは光軸からの高さ(mm)、b、b、b、・・・・・・はそれぞれ、2次、4次、6次、・・・・・・の光路差関数係数である)、P=−2・bで定義される近軸における回折パワーP(mm−1)と、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる近軸における合成パワーP(mm−1)とが、以下の(4)式を満たすことを特徴とする。
0.03≦P/P≦0.15 (4)
【0043】
請求項11に記載の発明によれば、P/Pは全系に占める回折パワーの割合、つまり軸上色収差の補正度合いを示す。この値を(4)式を満足するように定めれば軸上色収差を良好に補正出来る。
【0044】
請求項12に記載の発明は、請求項1〜11のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、Φ=b・h+b・h+b・h+・・・・・・で定義される光路差関数Φ(mm)により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に(ここで、hは光軸からの高さ(mm)、b、b、b、・・・・・・はそれぞれ、2次、4次、6次、・・・・・・の光路差関数係数である)、2次の光路差関数係数b以外の次数の光路差関数係数が全て0であることを特徴とする。
【0045】
請求項12に記載の発明によれば、2次以外の光路差関数係数を全て0にすることで、回折構造で色球面収差も補正する場合に比べて、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが長くなるので、収差補正素子成形時の転写性が向上し、回折効率が向上し、集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる
【0046】
請求項13に記載の発明は、請求項1〜12のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記回折構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に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、最大有効径位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅P(mm)と、最大有効径の50%の位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅P(mm)とが以下の(5)式を満たすことを特徴とする。
0≦|P/P−2|<0.5 (5)
【0047】
請求項13に記載の発明によれば、PとPが(5)式を満たすことで、回折構造の輪帯の光軸垂直方向の長さが回折構造で色球面収差も補正する場合に比べて長くなるので、収差補正素子成形時の転写性が向上し、回折効率が向上し、集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【0048】
請求項14に記載の発明は、請求項1〜13のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、Φ=b・h+b・h+b・h+・・・・・・で定義される光路差関数Φ(mm)により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に(ここで、hは光軸からの高さ(mm)、b、b、b、・・・・・・はそれぞれ、2次、4次、6次、・・・・・・の光路差関数係数である)、P=−2・bで定義される近軸における回折パワーP(mm−1)と、前記収差補正素子の近軸における屈折パワーP(mm−1)とが、以下の(6)式を満たすことを特徴とする。
−1.2≦P/P≦−0.8 (6)
【0049】
請求項14に記載の発明によれば、P/Pは前記収差補正素子から射出される光束の収束度を示し、(6)式の条件を満足すれば射出光はほぼ平行光になり、集光レンズの設計・製造が容易になる。
【0050】
請求項15に記載の発明は、請求項1〜14のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光路差付与構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成され、入射光束の波長が長波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正不足方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正過剰方向への球面収差変化を補正し、かつ、入射光束の波長が短波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正過剰方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正不足方向への球面収差変化を補正することを特徴とする。
【0051】
請求項15に記載の発明によれば、入射光束の波長が変化した場合に前記光路差付与構造によって色球面収差が補正出来る。
【0052】
請求項16に記載の発明は、請求項15に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び/又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、環境温度変化に伴う発振波長変化であることを特徴とする。
【0053】
請求項16に記載の発明によれば、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴い半導体レーザーの発振波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無い。
【0054】
請求項17に記載の発明は、請求項15又は16に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び/又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、製造誤差による発振波長ばらつきであることを特徴とする。
【0055】
請求項17に記載の発明によれば、光路差付与構造により色球面収差を補正しているので、製造誤差によりレーザーの発振波長が基準波長からずれた半導体レーザーを使用しても、球面収差が大きくなりすぎることは無い。
【0056】
請求項18に記載の発明は、請求項15〜17のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光路差付与構造において、前記中心領域の外側に隣接する前記輪帯は、前記中心領域に対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置の75%の位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されていることを特徴とする。
【0057】
請求項18に記載の発明によれば、前記光路差付与構造において、前記中心領域の外側に隣接する輪帯は、前記中心領域に対して光路長が短くなるように変移して成形されているので、入射光束の波長が長波長側に変化した際に集光レンズで発生する補正過剰方向への球面収差を相殺することが出来、また、入射光束の波長が短波長側に変化した際に集光レンズで発生する補正不足方向への球面収差を相殺することが出来る。
【0058】
請求項19に記載の発明は、請求項1〜18のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光路差付与構造の前記微細な段差の光軸方向の深さをd(μm)、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ(nm)、前記収差補正素子の前記波長λに対する屈折率をnとしたとき、以下の(7)式を満たすことを特徴とする。
3≦d・(n−1)/(λ×10−3)≦10 (7)
【0059】
請求項19に記載の発明によれば、d・(n−1)/(λ×10−3)≦10を満たすとき半導体レーザーの発振波長が変化したことに起因する球面収差が良好に補正出来、しかも、3≦d・(n−1)/(λ×10−3)を満たすとき、前記光路差付与構造の輪帯の光軸に垂直な方向の長さが、光路差付与構造が容易に成形可能なほど確保出来、収差補正素子成形時の転写性が良く、透過率が向上し、集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【0060】
請求項20に記載の発明は、請求項1〜19のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ(nm)、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる開口数をNAとしたとき、以下の(8)及び(9)式を満たすことを特徴とする。
λ≦450nm (8)
0.60≦NA≦0.95 (9)
【0061】
請求項21に記載の発明は、請求項1〜20のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子と前記集光レンズは共に、波面収差がマレシャル限界内となるように収差補正されていることを特徴とする。
【0062】
請求項21に記載の発明によれば、収差補正素子及び集光レンズとをそれぞれ単独で評価することが可能となるので、製造が容易となる。
【0063】
請求項22に記載の発明は、請求項1〜21のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系において、前記収差補正素子と前記集光レンズは、それぞれ、接合部材を介して接合されていることを特徴とする。
【0064】
請求項22に記載の発明によれば、集光レンズを収差補正素子と一体にトラッキングさせることが出来るので、入射光束が設計波長からずれた場合においてもコマ収差の発生が無く、良好なトラッキング特性を得られる。
【0065】
請求項23に記載の発明は、レーザー光源と、前記レーザー光源から射出された光束を光ディスクの情報記録面上に集光するための対物光学系と、を有する光ピックアップ装置において、前記対物光学系として、請求項1〜22のいずれか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする。
【0066】
請求項24に記載の発明は、請求項23に記載の光ピックアップ装置を搭載して光ディスクに対する情報の記録及び光ディスクに記録された情報の再生のうち、少なくとも一方を実行可能であることを特徴とする。
【0067】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本実施の形態の光ピックアップ装置10の概略図であり、光ピックアップ装置10は、光源としての青紫色半導体レーザー11、偏光ビームスプリッター12、1/4波長板16、コリメータ13、絞り18、対物レンズ30、フォーカシング/トラッキング用の2軸アクチュエータ19、シリンドリカルレンズ17、凹レンズ14、及び光検出器15とから構成される。
なお、詳しい説明は後述するが、本発明に係る光ピックアップ装置用の光学系は、対物レンズ30を構成する収差補正素子40と集光レンズ50とから成る。
青紫色半導体レーザー11から射出された発散光束は、偏光ビームスプリッター12を通過し、1/4波長板16、及びコリメートレンズ13を経て円偏光の平行光束となった後、絞り18により光束径が規制され、対物レンズ30によって高密度光ディスク20の保護層22を介して情報記録面21上に形成されるスポットとなる。
【0068】
情報記録面21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30、絞り18、及びコリメートレンズ13を経て収斂光束となった後、1/4波長板16を透過することで直線偏光となり、偏光ビームスプリッター12によって反射され、シリンドリカルレンズ17、凹レンズ14を経ることにより批点収差が与えられ、光検出器15に収束する。そして、光検出器15の出力信号を用いて高密度光ディスク20に記録された情報を読み取ることが出来る。
尚、波長400nm程度のレーザー光を射出する光源として、青紫色半導体レーザーの代わりに、第二高調波発生法を利用したSHG青紫色レーザーを使用しても良い。
【0069】
対物レンズ30は、青紫色半導体レーザー11から発したレーザー光を高密度光ディスク20(例えば、ブルーレイディスク)の保護層22を介して情報記録面21上に集光させる機能を有し青紫色半導体レーザー11側に配置されたプラスチック製の収差補正素子40と、高密度光ディスク20側に配置されたガラス製の集光レンズ50とから構成される。収差補正素子40と集光レンズ50とを組み合わせて得られるNAは0.85である。
更に、収差補正素子40と集光レンズ50、接合部材80を用い接合されていることで、収差補正素子40と集光レンズ50は一体となってフォーカシングやトラッキングを行う。
【0070】
図2に示すように、対物レンズ30は、物体側から順に配置されたプラスチック製の収差補正素子40とガラス製の集光レンズ50、接合部材80とにより構成されている。
集光レンズ50は、非球面を少なくともひとつ(本実施の形態においては入射面51と出射面52の2面)有する一群一枚構成の屈折単レンズである。
収差補正素子40は、図3に示すように、その入射面41の光軸近傍の形状が平面状で、出射面42が凹面状とされた光学素子であり、入射面41には光路差付与構造60が形成され、出射面42には回折構造70が形成されている。
【0071】
本発明の実施の形態における収差補正素子40では、その入射面41に、光路差付与構造60を形成し、射出面42に回折構造70を形成する構成としたが、これとは逆に、入射面41に回折構造70を形成し、出射面42に光路差付与構造60を形成しても良い。また、入射面41又は出射面42のいずれか一方の光学面に光路差付与構造60を形成し、さらに光路差付与構造60の各輪帯上に、回折構造70を形成しても良い。又凹面上とされた光学面に光路差付与構造60を形成し、かつ平面状とされた光学面に回折構造70を形成しても良い。
【0072】
図3に示すように、光路差付与構造60は、光軸Lを含むと共に光軸Lに直交する平面からなる中心領域61と、この中心領域61の外側に形成される複数の輪帯62とから構成される。
各輪帯62は光軸Lを中心とした同心円状に形成されており、その内周縁部分と外周縁部分とが光軸L方向に伸びる微細な段差63により分割されている。
複数の輪帯62の内、中心領域61の外側に隣接する輪帯(輪帯62a)は、中心領域61に対して光路長が短くなるように、つまり光軸L方向に沿って光ディスク20側に変移して成形されており、光学面の最大有効径Dに相当する位置の輪帯(輪帯62b)は、その内側に隣接する輪帯62(c)に対して光路長が長くなるように、つまり光軸L方向沿って光源11側に変移しており、最大有効径Dの75%に相当する位置の輪帯62(d)は、その内側に隣接する輪帯62(e)とその外側に隣接する輪帯62(f)とに対して光路長が短くなるように光軸L方向に沿って光ディスク20側に変移して形成されている。
【0073】
図4は、本実施の形態の光ピックアップ装置10’の概略図であり、光ピックアップ装置10’は、光源としての青紫色半導体レーザー11、偏光ビームスプリッター12、1/4波長板16、コリメータ13、絞り18、対物レンズ30’、フォーカシング/トラッキング用の2軸アクチュエータ19、シリンドリカルレンズ17、凹レンズ14、及び光検出器15とから構成される。
なお、詳しい説明は後述するが、本発明に係る光ピックアップ装置用の光学系は、対物レンズ30’を構成する収差補正素子40’と集光レンズ50’とから成る。
青紫色半導体レーザー11から射出された発散光束は、偏光ビームスプリッター12を通過し、1/4波長板16、及びコリメートレンズ13を経て円偏光の平行光束となった後、絞り18により光束径が規制され、対物レンズ30によって高密度光ディスク20の保護層22を介して情報記録面21上に形成されるスポットとなる。
【0074】
情報記録面21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30’、絞り18、及びコリメートレンズ13を経て収斂光束となった後、1/4波長板16を透過することで直線偏光となり、偏光ビームスプリッター12によって反射され、シリンドリカルレンズ17、凹レンズ14を経ることにより非点収差が与えられ、光検出器15に収束する。そして、光検出器15の出力信号を用いて高密度光ディスク20に記録された情報を読み取ることが出来る。
尚、波長400nm程度のレーザー光を射出する光源として、青紫色半導体レーザーの代わりに、第二高調波発生法を利用したSHG青紫色レーザーを使用しても良い。
【0075】
対物レンズ30’は、青紫色半導体レーザー11から発したレーザー光を高密度光ディスク20(例えば、ブルーレイディスク)の保護層22を介して情報記録面21上に集光させる機能を有し青紫色半導体レーザー11側に配置されたプラスチック製の収差補正素子40’と、高密度光ディスク20側に配置されたアサーマル樹脂製の集光レンズ50’とから構成される。収差補正素子40’と集光レンズ50’とを組み合わせて得られるNAは0.85である。
更に、収差補正素子40’と集光レンズ50’、接合部材80を用い接合されていることで、収差補正素子40’と集光レンズ50’は一体となってフォーカシングやトラッキングを行う。
【0076】
集光レンズ50’は、非球面を少なくともひとつ(本実施の形態においては入射面51と出射面52の2面)有する一群一枚構成のアサーマル樹脂製の屈折単レンズである。
収差補正素子40’は、その入射面の光軸近傍の形状が平面状で、射出面が凹面状とされた光学素子であり、入射面41には回折構造70が形成され、出射面42には光路差付与構造60が形成されている。
【0077】
本発明の実施の形態における収差補正素子40’では、その入射面41に回折構造70を形成し、出射面42に光路差付与構造60を形成する構成としたが、これとは逆に、入射面41に光路差付与構造60を形成し、出射面42に回折構造70を形成しても良い。また、入射面41又は出射面42のいずれか一方の光学面に光路差付与構造60を形成し、更に光路差付与構造60の各輪帯上に、回折構造70を形成しても良い。
尚、本実施の形成における収差補正阻止40’に形成された光路差付与構造60、及び回折構造70の構成及び機能は、前述した収差補正素子40の光路差付与構造60及び回折構造70と同じであるので詳細な説明は割愛する。
【0078】
そして、青紫色半導体レーザー11からの出射光束は、収差補正素子40の入射面41において、各輪帯62を通過する際に、輪帯62の中心領域61からの変位量(段差63の光軸L方向の長さ)に応じた光路差が付与され、各光束に位相差が生じるようになっている。
【0079】
そして、青紫色半導体レーザー11の発振波長が収差補正素子40の設計波長と同じである場合には、各輪帯62を通過した光束の位相が情報記録面21上でほぼ揃うように各光束に対して光路差が付与され、青紫色半導体レーザーの発振波長が収差補正素子40の設計波長より長い場合には、透過波面の球面収差が補正不足方向に変化するような光路差を隣接する各輪帯62間で発生することで、集光レンズ50で発生する補正過剰方向への球面収差の変化を補正するようになっている。同様に、青紫色半導体レーザーの発振波長が収差補正素子40の設計波長より短い場合には、透過波面の球面収差が補正過剰方向に変化するような光路差を隣接する各輪帯62間で発生することで、集光レンズ50で発生する補正不足方向への球面収差の変化を補正するようになっている。
【0080】
回折構造70は、光軸Lを含む中心領域71と中心領域71の外側に光軸L方向の微細な段差74を持って分割された複数の輪帯72(回折輪帯)から構成され、各回折輪帯72の光軸Lを含む断面形状が階段形状に凹面73上に形成されている。
そして、Φ=b・h+b・h+b・h+・・・で定義される光路差関数Φ(mm)により、回折構造70を透過する波面に付加される光路差を表した場合に、P=−2・bで定義される近軸における回折パワーP(mm−1)と、収差補正素子40と集光レンズ50とを組み合わせて得られる近軸における合成パワーP(mm−1)とが(4)式を満たすことにより、回折構造70が入射光束の波長変化に伴って集光レンズ50で発生する軸上色収差を補正するようになっている。
0.03≦P/P≦0.15 (4)
但し、hは光軸Lからの高さ(mm)、b, b, b,…はそれぞれ2次、4次、6次…の光路差関数係数を示す。
また、収差補正素子の近軸における屈折パワー(mm−1)と回折構造70の近軸における回折パワーP(mm−1)とが(6)式を満たすように収差補正素子の射出面42と回折構造70が設計されている。
−1.2≦P/P≦−0.8 (6)
【0081】
また、最大有効径Dの位置における回折輪帯72aの光軸Lに垂直な方向の幅P(mm)と、最大有効径Dの50%の位置における輪帯72bの光軸Lに垂直な方向の幅P(mm)とが(5)式を満たすよう回折構造70が設計されている。
0≦|P/P−2|<0.5 (5)
【0082】
以上のように、本実施の形態に示した対物レンズ系30によれば、入射光束に対する屈折力を専ら光ディスク側に配置される集光レンズ50に持たせることで、作動距離を大きく確保することが可能となり、対物レンズ系30と光ディスクの保護層22との干渉を防ぐことが出来る。
更に、回折構造70により集光レンズ50の色収差を補正しているので、青紫色レーザー11のモードホッピングにより入射光束の波長が瞬時的に変化した場合においても良好な記録/再生特性を維持出来る。
【0083】
また、光路差付与構造60により色球面収差を補正しているので、温度変化に伴う青紫色半導体レーザー11の発振波長が変化した場合においても球面収差が大きくなりすぎることは無い。そして、回折構造70を軸上色収差補正用として用い、光路差付与構造60を色球面収差補正用として用いることにより、最大有効径Dの位置における回折輪帯輪帯72aの光軸Lに垂直な方向の幅P(mm)が長くなり、収差補正素子40を成形するときの転写性が向上する。
更に、収差補正素子40の光学面上に、回折構造70や光路差付与構造60の如き微細な段差を有する構造を形成しているので、回折構造70に入射する光束の内、その進路が遮断されて集光スポットの形成に寄与しない光束の割合を抑えることが出来、光量の低下を防止できる。
【0084】
なお、図示は省略するが、上述した光ピックアップ装置10及び10´に、光ディスク20を回転自在に保持する回転駆動装置やこれら各種装置の駆動を制御する制御装置等を組み合わせることで、光ディスク20に対する情報の記録及び光ディスク20に記録された情報の再生のうち少なくとも一方の実行が可能な光情報記録再生装置を得ることができる。
【0085】
また、本実施の形態においては、光ピックアップ装置10及び10´が1つのレーザ光源11を備え、1種類の規格(或いは、記録密度)の光ディスク(本実施の形態においては、高密度光ディスク20)に対して用いられるものとしたが、これに限らず、2つ以上の光源を用いて、2種類以上の規格の光ディスク間での互換性を有する光ピックアップ装置の構成としてもよい。
【0086】
【実施例】
次に、上述した対物レンズ系の実施例について説明する。本実施例における光学系は焦点距離f=1.765mm,近軸パワーP=0.567mm−1、開口数NA=0.85、設計波長λ=405nm、設計基準温度T=25℃に設定されている。
収差補正素子は、第1面(入射面)が平面で、第2面(出射面)が凹レンズのプラスチック製レンズであり、第1面に光路差付与構造、第2面に回折構造(回折輪帯が階段形状)が形成されている。最大有効径位置での回折輪帯幅P=6.75μm、最大有効径の50%の位置での回折輪帯幅P=13.5μmである。
また、集光レンズは、両面(第3面及び第4面)が非球面のガラス製レンズであり、焦点距離f=1.765nm、倍率m=0、開口数NA=0.85に設定されている。表1に収差補正素子及び集光レンズの曲率半径r、第I面から第i+1面までの光軸L方向の位置d、設計波長405nmにおける屈折率をn405、406nmにおける屈折率をn406、410nmにおける屈折率をn410、d線のアッベ数をνで表す。
【0087】
【表1】

Figure 2005038481
また、集光レンズの非球面は、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2に表2中の係数を代入した数式で表される。但し、κを円錐係数、A2iを非球面係数とする。
【0088】
【数2】
Figure 2005038481
【表2】
Figure 2005038481
【0089】
また、収差補正素子の回折構造は、この回折構造により透過波面に付加される光路差で表される。かかる光路差は、光軸に垂直な方向の高さをh(mm)、b2jを光路差関数係数とするとき次の数3で定義される光路差関数Φ(mm)に表3中の係数を代入した数式で表される。
【0090】
【数3】
Figure 2005038481
【表3】
Figure 2005038481
【0091】
また、光路差付与構造の各輪帯の形状は、表4で表される。
【表4】
Figure 2005038481
【0092】
表4中のiは光路差付与構造の中心領域及び各輪帯の番号を表し、光軸を含む中心領域をi=1、中心領域の外側(光軸から離れる方向)に隣接する輪帯をi=2、さらに外側に隣接する輪帯をi=3、…とする。即ち、本実施例における対物レンズの収差補正素子には、中心領域の外側に4本の輪帯が形成されている。そして、hi−1と、hはそれぞれ中心領域及び各輪帯の始点高さ、終点高さを示す。mdは中心領域に対する各輪帯の光軸方向の変移量(光源から光ディスク方向に向かって変移する場合を正とする)を表す。例えば、中心領域の外側に隣接する輪帯(i=2)は、中心領域に対して光ディスク側に3.86μm変移している。また、mは、設計基準波長405nmにおいて、各輪帯を透過する光束に付与される中心領域を透過する拘束に対する光路差を表し、たとえば中心領域の外側に隣接する輪帯(i=2、m=5)を透過する光束は、中心領域を透過する光束に対して5λ(但し、λ=405nm)の光路差が付与されるので、位相差に換算して2π×5(rad)だけ位相が遅れることになる。
【0093】
入射光束の波長が設計基準波長405nmから410nmに変化した場合における波面収差は0.012λrmsとなった。また、青紫色半導体レーザーのモードホッピングにより、本実施例における対物レンズに対する入射光束の波長が、設計波長の405nmから406nmになった場合の波面収差のデフォーカス成分は0.024λrmsとなった。
また、本実施例の対物レンズ系において、収差補正素子除いた対物レンズのみに対して、入射光束の波長が、設計波長の405nmから406nmになった場合の波面収差のデフォーカス成分は0.111λrmsとなった。
これにより、上記実施例ではガラス製対物レンズのみのときに比べ、収差補正素子の回折構造の作用により、軸上色収差が補正されていることが分る。
【0094】
【比較例】
次に、上記実施例における光路差付与構造の球面収差補正効果を説明する。比較例として、上記実施例の収差補正素子の第1面に形成した光路差付与構造が無い場合を考える。
【0095】
この比較例において、入射光束の波長が設計基準波長405nmから410nmに変化した場合における波面収差は0.058λrmsとなった。
これにより上記実施例の対物レンズ系では、光路差付与構造の作用により、入射光の波長が変化したときに発生する球面収差が良好に補正されていることが分る。
【0096】
【発明の効果】
本発明によれば、十分な作動距離を確保出来、更に色収差及び入射光束の波長が変化した際の球面収差を補正出来、光利用効率の高いピックアップ装置用の光学素子、及びこの光学素子を対物レンズとして搭載した光ピックアップ装置、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が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光ピックアップ装置の構成を示す平面図である。
【図2】本発明に係る光学系の構成を示す横断面図である。
【図3】回折構造及び光路差付与構造を示す横断面図である。
【図4】本発明に係る光ピックアップ装置の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
10 光ピックアップ装置
40 収差補正素子
50 集光レンズ
60 光路差付与構造
61 中心領域
62 輪帯
70 回折構造
71 中心領域
72 輪帯
80 接合部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical system for an optical pickup device, an optical pickup device, and an optical information recording / reproducing device.
[0002]
[Prior art]
Along with the recent increase in the density of optical discs, an objective lens of an optical pickup device used for recording / reproducing on an optical disc has a high numerical aperture (NA) because of a demand for a smaller focused spot. It is like that.
For example, in an optical pickup device for a high density optical disk using a blue-violet semiconductor laser light source having a wavelength λ of 405 nm, it is proposed to use an objective lens having a numerical aperture NA of 0.85 in order to achieve high density. Yes.
[0003]
As an objective lens with a numerical aperture of 0.85, a glass two-group lens that achieves NA 0.85 by relaxing the manufacturing tolerance of each lens by sharing the refractive power with respect to the incident light beam to the two lenses. It is described in the following Patent Document 1.
However, since a high-density disc using a laser beam with a wavelength of 405 nm and an objective lens with NA of 0.85 employs a protective layer with a thickness of 0.1 mm, the scratch on the protective layer surface causes information recording / reproduction. The effect on characteristics is large. Therefore, securing the working distance in designing the objective lens is very important in preventing the objective lens from damaging the surface of the protective layer due to interference with the optical disk.
[0004]
In the objective lens having the two-group configuration, the incident light beam is refracted by each of the two lenses and condensed on the information recording surface of the optical disc. Since the height is reduced and the distance (working distance) from the objective lens to the optical disk is shortened, the objective lens and the optical disk are likely to interfere with each other. In particular, in the two-group objective lens made of glass as described in Patent Document 1, the mass of the objective lens becomes large, so that the possibility that the objective lens scratches the surface of the protective layer due to interference with the optical disk becomes very high. .
[0005]
In order to cope with this problem, a single lens made of glass having an NA of 0.85 has been proposed as described in Patent Document 2 below.
With a single lens configuration, a large working distance can be secured and the weight can be reduced, so that it is possible to prevent damage to the surface of the protective layer due to interference between the objective lens and the optical disk. Then, since the curvature of the optical surface on the light source side tends to be large, coma aberration easily occurs due to the optical axis shift between the optical surfaces. Therefore, in order to increase the production efficiency of a single lens with NA of 0.85, it is necessary to secure a sufficient margin for the optical axis deviation between optical surfaces by using a high refractive index glass material.
[0006]
Also, in an optical pickup device, since the laser power during recording is generally larger than the power during information reproduction, a mode in which the center wavelength of the laser light source instantaneously jumps several nm due to output changes when switching from reproduction to recording is performed. May cause hopping. The focus position shift caused by such mode hopping can be removed by focusing the objective lens. However, in the several nsec until the objective lens is focused, problems such as recording failure due to the focus position shift occur. Since this focus position shift becomes larger as the light source wavelength becomes shorter, the wavefront aberration deterioration due to mode hopping becomes larger as the light source wavelength becomes shorter.
[0007]
A single lens tends to generate a larger amount of chromatic aberration with respect to the same wavelength change of incident light beam than a two-group lens. In particular, in the above-mentioned single lens made of glass, a margin for optical axis deviation between optical surfaces is increased. When a high refractive index glass material is used in order to ensure sufficiently, the focus position shift becomes larger. This is because a high refractive index glass material generally has a large wavelength dispersion, and a chromatic aberration of a single lens made of such a high refractive index glass material increases. For these reasons, when a blue-violet semiconductor laser is used as a light source and a single lens made of high refractive index glass is used as an objective lens, correction of chromatic aberration of the objective lens is essential.
[0008]
By the way, conventionally, a single lens made of plastic is mainly used as an objective lens used in an optical pickup device for recording / reproducing of an optical information recording medium such as CD, MO, and DVD.
Since the specific gravity of the plastic lens is smaller than that of the glass lens, the burden on the actuator that drives the objective lens can be reduced, and the objective lens can be tracked at high speed.
In addition, plastic lenses manufactured by injection molding of plastic materials with molds can be mass-produced with high precision by producing the desired molds with good production, and the high performance and low cost of the lenses. Can be achieved.
[0009]
Therefore, it is possible to mass-produce an objective lens with a single lens structure for a high-density optical disk, which is advantageous for a two-group lens in terms of securing a large working distance, at a low cost with a light weight and stable performance. It is preferable to use a plastic lens.
However, when a single lens having a high NA is used as a plastic lens, spherical aberration (hereinafter referred to as “temperature aberration” in the present specification) caused by a change in refractive index accompanying a change in temperature becomes a problem. This is because the plastic lens is about two orders of magnitude larger than the glass lens in the refractive index change accompanying the temperature change. Since this temperature aberration is proportional to the fourth power of NA, when the objective lens of NA 0.85 used for the high density optical disk is a plastic lens, there is a problem that the usable temperature range becomes very narrow. .
[0010]
In response to such a problem, a new optical material (hereinafter referred to as “refractive index”) having a reduced refractive index with a change in temperature while maintaining the moldability of the plastic material by mixing an inorganic material having a diameter of 10 nm to 15 nm in the plastic material. In this specification, such an optical material is referred to as “athermal resin”) (Nikkan Kogyo Shimbun, July 4, 2003). According to this announcement, a plastic material whose refractive index decreases as temperature rises (in this example, acrylic resin), and an inorganic material whose refractive index increases as temperature rises (in this example, niobium oxide (Nb 2 O 5 )) Can be mixed uniformly at a volume ratio of 4: 1 to cancel the temperature dependence of the refractive index of both.
By using such an athermal resin, it becomes possible to mass-produce a single lens of NA 0.85 that does not deteriorate the light collecting performance even if the environmental temperature changes by injection molding, but there still remains a problem regarding chromatic aberration.
[0011]
As an element for correcting the chromatic aberration of the objective lens with a simple configuration, a diffraction element using a diffraction action is known. In an optical pickup apparatus using a blue-violet semiconductor laser as a light source, an optical pickup apparatus including such a diffraction element for correcting chromatic aberration of an objective lens is described in Patent Document 3 below.
The optical pickup device described in Patent Document 3 corrects chromatic aberration of an objective lens by a diffractive element arranged in a parallel light beam between a blue-violet semiconductor laser light source and an objective lens. When the laser beam length changes, the light beam emitted from the diffractive element toward the objective lens becomes a convergent light beam due to diffraction, and when the semiconductor laser wavelength changes in the shorter direction, it becomes a divergent light beam. Thus, the chromatic aberration of the objective lens is corrected.
[0012]
In the present specification, the condensing position where the diameter of the spot collected by the optical element is the minimum is referred to as “focus position”, and the movement of the focus position due to the wavelength change of the incident light beam is referred to as “focus position deviation”. . In this specification, “focus position shift” and “chromatic aberration” are synonymous, and a change in wavefront aberration caused by chromatic aberration of an optical element with respect to a predetermined amount of wavelength change of an incident light beam is less than the diffraction limit. This correction is called “correction of chromatic aberration”.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-10-123410
[Patent Document 2]
JP 2003-114383 A
[Patent Document 3]
JP 2001-256672 A
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the divergence of the light beam that passes through the diffraction element and travels toward the objective lens changes due to the wavelength change of the semiconductor laser, spherical aberration occurs because the magnification of the objective lens changes. In particular, in order to correct the chromatic aberration of a single lens made of high refractive index glass, the change in the divergence of the light beam that passes through the diffraction element and travels toward the objective lens as the wavelength of the semiconductor laser changes (that is, the diffractive power in the paraxial direction ) Must be set large, and as a result, when the wavelength of the semiconductor laser changes, the change in spherical aberration accompanying the change in magnification of the objective lens becomes larger.
[0015]
A semiconductor laser has a characteristic that the oscillation wavelength becomes longer when the temperature rises due to a change in environmental temperature or heat radiation from the actuator, but a diffractive element is used to correct chromatic aberration of a single lens made of high refractive index glass. In the optical pickup device, since the change in spherical aberration with respect to the change in wavelength is large, the change in spherical aberration caused by the change in wavelength of the semiconductor laser accompanying the change in temperature is a non-negligible amount.
Furthermore, semiconductor lasers used as light sources in optical pickup devices have wavelength variations of about ± 10 nm in individual oscillation wavelengths due to manufacturing errors. Therefore, if the spherical aberration change with respect to the wavelength change of the objective lens is large, it is not possible to use a semiconductor laser that deviates from the reference wavelength, and it is necessary to select the semiconductor laser, and the manufacturing cost of the optical pickup device is reduced. To rise.
[0016]
In addition, in the above-described single lens made of athermal resin, when the chromatic aberration is corrected by the diffraction element, when the incident wavelength to the diffraction element is changed due to a change in the environmental temperature or individual oscillation wavelength variation, The change in spherical aberration accompanying the change in magnification of the objective lens is an amount that cannot be ignored.
This is because the amount of change in spherical aberration accompanying the change in magnification increases in proportion to the fourth power of NA and 1 / λ, and it is assumed that the wavelength dispersion of the athermal resin is currently a material for optical elements for optical disks. Even if the glass material that can be used as a material is improved to the same level as that of the material having the smallest wavelength dispersion (the Abbe number in d-line is about 70), when the incident wavelength to the diffraction element changes, the magnification changes. Correction of the accompanying spherical aberration is necessary.
[0017]
Here, it is possible to correct the spherical aberration change with respect to the wavelength change by giving the above-mentioned diffraction element the wavelength dependence of the spherical aberration, but in addition to the focus position shift with respect to the wavelength change of the incident light flux, When correcting the change in spherical aberration with respect to the change in the wavelength of the light beam, the width in the direction perpendicular to the annular zone of the diffractive structure is reduced, resulting in a decrease in diffraction efficiency due to improper transfer during molding, and in the optical axis direction of the annular zone. There is a concern that the light use efficiency may be lowered due to the light beam incident on the step being blocked in its path. Furthermore, since the number of annular zones increases, the time required for mold processing becomes longer and the manufacturing cost of the diffraction element increases.
[0018]
An object of the present invention is to take into account the above-mentioned problems, can secure a sufficient working distance, correct chromatic aberration and spherical aberration with respect to a wavelength change of an incident light beam, and further, for an optical pickup device having high light utilization efficiency. An optical element, an optical pickup device in which the optical element is mounted as an objective lens, and an optical information recording / reproducing device in which the optical pickup device is mounted are provided.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 includes a plastic aberration correction element and a glass condensing lens for forming an image of a light beam emitted from the aberration correction element. In the optical system for an optical pickup device, the aberration correction element has at least one optical surface on which a diffractive structure is formed and one optical surface on which an optical path difference providing structure is formed. The lens is a refracting single lens having at least one aspherical surface and having one lens element per group.
[0020]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to secure a large working distance by providing the condensing lens disposed on the optical disc side exclusively with the refractive power with respect to the incident light beam. Interference can be prevented. Further, since the chromatic aberration of the condenser lens is corrected by the diffractive structure, good recording / reproducing characteristics can be maintained even when the wavelength of the incident light beam changes instantaneously by laser mode hopping.
[0021]
In addition, since the chromatic spherical aberration is corrected by the optical path difference providing structure, the spherical aberration does not become too large even when the wavelength of the semiconductor laser changes due to temperature change, and the oscillation wavelength is the reference due to manufacturing errors. Even if a semiconductor laser deviated from the wavelength is used, the spherical aberration does not become too large.
Then, by using the diffractive structure for correcting axial chromatic aberration and using the optical path difference providing structure for correcting chromatic spherical aberration, the length of the zonal zone of the diffractive structure in the direction perpendicular to the optical axis is increased, and the aberration correction element is formed. Transferability is improved. Furthermore, since a structure having fine steps such as a diffractive structure and an optical path difference providing structure is formed on the optical surface of the aberration correction element, the path of the light beam incident on the diffractive structure is blocked and condensed. The ratio of the light flux that does not contribute to the formation of the spot can be suppressed, and a decrease in the amount of light can be prevented.
[0022]
Note that the condenser lens that bears most of the refractive power for incident light flux is used in the optical pickup device in which the optical system according to the present invention is mounted in order to ensure a sufficient margin for optical axis misalignment between optical surfaces in manufacturing. It is desirable that the laser light source is made of a glass material having a refractive index of 1.55 or more at the oscillation wavelength.
In this specification, an optical disk that uses a blue-violet laser such as a blue-violet semiconductor laser or a blue-violet SHG laser as a light source for recording / reproducing information is collectively referred to as a “high-density optical disk”, and NA0. Recording / reproducing information with an objective optical system of .85, recording / reproducing information with an objective optical system of NA 0.65, in addition to a standard optical disc with a protective layer thickness of about 0.1 mm, It also includes a standard optical disc having a protective layer thickness of about 0.6 mm. In addition to an optical disc having such a protective layer on its information recording surface, an optical disc having a protective film with a thickness of several to several tens of nm on the information recording surface, or a protective film having a thickness of 0 Some optical disks are also included. In this specification, the high-density optical disk includes a magneto-optical disk that uses a blue-violet laser as a light source for recording / reproducing information.
[0023]
In this specification, “aberration correction element” refers to an optical element having a function of suppressing a change in wavefront aberration that occurs in another optical element due to a change in wavelength of an incident light beam. , An optical element having a function of condensing and focusing the light beam emitted from the “aberration correction element”. That is, the “aberration correction element” suppresses a change in wavefront aberration that occurs in the “condensing lens” with a change in wavelength of the incident light beam.
When an optical element composed of an “aberration correction element” and a “condensing lens” is used as an objective lens in an optical pickup device, the “aberration correction element” is closer to the laser light source than the condensing lens. The “condensing lens” is arranged closer to the optical disc than the aberration correction element.
[0024]
In the present specification, the “optical path difference providing structure” is a structure composed of a central region including the optical axis and a plurality of annular zones divided with a fine step outside the central region. When the wavelength of the incident light beam is a predetermined wavelength, an optical path difference that is an integral multiple of the wavelength of the incident light beam is generated between wavefronts that pass through the adjacent annular zones, and when the wavelength changes from the predetermined wavelength, It refers to a structure having such a characteristic that an optical path difference generated between wavefronts passing through adjacent annular zones deviates from an integral multiple of the wavelength of an incident light beam.
A specific structure of such an “optical path difference providing structure” is that the annular zone adjacent to the outside of the central region is formed by shifting in the optical axis direction so that the optical path length becomes shorter with respect to the central region, and the maximum The annular zone at the position of 75% of the effective diameter position is formed by shifting in the optical axis direction so that the optical path length becomes shorter with respect to the annular zone adjacent to the inside and the annular zone adjacent to the outside. Structure.
Here, the “center region” refers to an optical region that includes the optical axis and is surrounded by a step at a position closest to the optical axis.
[0025]
Further, in this specification, the “diffractive structure” is a structure composed of a central region including the optical axis and a plurality of annular zones divided by minute steps on the outside of the central region, and the incident light flux When the wavelength is a predetermined wavelength, an optical path difference that is an integral multiple of the wavelength of the incident light between wavefronts passing through the adjacent annular zones is generated by diffraction, and the wavelength of the incident light beam is changed from the predetermined wavelength. In some cases, it refers to a structure having such a characteristic that an optical path difference generated between wavefronts passing through adjacent annular zones deviates from an integral multiple of the wavelength of the incident light beam.
The specific structure of such a “diffractive structure” is a structure in which the cross-sectional shape including the optical axis is a staircase shape in which the optical path length increases as the distance from the optical axis increases, or the optical axis A cross-sectional shape including the sawtooth shape.
[0026]
The invention according to claim 2 is an optical system for an optical pickup device comprising an aberration correction element made of plastic and a condensing lens for imaging a light beam emitted from the aberration correction element. The aberration correction element has at least one optical surface on which a diffractive structure is formed and one optical surface on which an optical path difference providing structure is formed, and the condenser lens has a diameter of 30 nm in a plastic material. It is a refractive single lens of one group and one lens having at least one aspherical surface formed by using a material in which the following particles are dispersed.
[0027]
According to a third aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to the second aspect, the condenser lens satisfies the following expression (1).
| A | <10 × 10 -5 (1)
However, A is the rate of change of the refractive index of the condenser lens with respect to temperature change, the refractive index n of the condenser lens with respect to the wavelength of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted, The linear expansion coefficient α and the molecular refractive power [R] of the condenser lens are expressed by the above equation (1).
[0028]
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to the third aspect, the condenser lens satisfies the following expression (2).
| A | <8 × 10 -5 (2)
[0029]
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to the fourth aspect, the condenser lens satisfies the following expression (3).
| A | <6 × 10 -5 (3)
[0030]
According to a sixth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to any one of the second to fifth aspects, the particles are an inorganic material.
[0031]
According to a seventh aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to the sixth aspect, the inorganic material is an oxide.
[0032]
According to an eighth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to the seventh aspect, the oxide is in a saturated oxidation state.
[0033]
The invention according to claim 9 is the optical system for an optical pickup device according to any one of claims 2 to 8, wherein the volume ratio of the plastic material and the particles in the condenser lens is as follows: It is in the range of 9: 1 to 9: 6.
[0034]
According to the second aspect of the present invention, similarly to the optical system according to the first aspect of the present invention, the converging lens disposed exclusively on the optical disc side has a refractive power with respect to the incident light beam, thereby reducing the working distance. A large amount can be secured, and interference between the objective lens and the optical disk can be prevented.
In addition, by using a material in which particles with a diameter of 30 nm or less are dispersed in a plastic material as the material for the condensing lens, the refractive index accompanying a change in temperature is reduced while maintaining the moldability of the plastic material. Therefore, it is possible to suppress a change in spherical aberration due to a change in refractive index even though it is a single lens having a high NA.
Since the chromatic aberration of the condensing lens is corrected by the diffractive structure, good recording / reproducing characteristics can be maintained even when the wavelength of the incident light beam is instantaneously changed by laser mode hopping.
[0035]
In addition, since the chromatic spherical aberration is corrected by the optical path difference providing structure, the spherical aberration does not become too large even when the wavelength of the semiconductor laser changes due to temperature change, and the oscillation wavelength is the reference due to manufacturing errors. Even if a semiconductor laser deviated from the wavelength is used, the spherical aberration does not become too large.
Then, by using the diffractive structure for correcting axial chromatic aberration and using the optical path difference providing structure for correcting chromatic spherical aberration, the length of the zonal zone of the diffractive structure in the direction perpendicular to the optical axis is increased, and the aberration correction element is formed. Transferability is improved. Furthermore, since a structure having fine steps such as a diffractive structure and an optical path difference providing structure is formed on the optical surface of the aberration correction element, the path of the light beam incident on the diffractive structure is blocked and condensed. The ratio of the light flux that does not contribute to the formation of the spot can be suppressed, and a decrease in the amount of light can be prevented.
[0036]
Here, the temperature change of the refractive index of the condensing lens in the optical system of the present invention will be described. The rate of change of the refractive index with respect to the temperature change is expressed by A in the above formula 1 by differentiating the refractive index n with respect to the temperature t based on the Lorentz-Lorenz formula.
In the case of a general plastic material, since the contribution of the second term is smaller than the first term of Equation 1, the second term can be almost ignored. For example, in the case of acrylic resin (PMMA), the linear expansion coefficient α is 7 × 10. -5 Substituting into the above equation, A = -12 × 10 -5 Which is almost consistent with the measured value.
[0037]
Here, in the condensing lens in the optical system of the present invention, the contribution of the second term of the above formula is substantially increased by dispersing it in a fine particle plastic material having a diameter of 30 nm or less, and the linear expansion of the first term. To counteract changes caused by
Specifically, as described in the invention of claim 3, the conventional technique is −12 × 10 6. -5 The refractive index change rate with respect to the temperature change, which is about 10 × 10 6 in absolute value -5 It is preferable to suppress to less than. More preferably, as described in claim 4, 8 × 10 -5 Less, more preferably 6 × 10 6 as described in the invention of claim 5. -5 In order to reduce the change in spherical aberration associated with the change in temperature of the condenser lens, it is preferable to keep it below.
For example, acrylic resin (PMMA) and niobium oxide (Nb) 2 O 5 ) Is dispersed, the dependence of the refractive index change on the temperature change can be eliminated.
[0038]
The plastic material used as the base material has a volume ratio of 80 and niobium oxide in a ratio of about 20, and these are uniformly mixed. There is a problem that the fine particles are likely to aggregate, but a technique of applying a charge to the particle surface to disperse the particles is also known, and a necessary dispersion state can be generated.
The volume ratio can be appropriately increased or decreased in order to control the rate of change of the refractive index with respect to the temperature change, and a plurality of types of nano-sized inorganic particles can be blended and dispersed.
In the above example, the volume ratio is 80:20. However, as described in the invention of claim 9, the volume ratio can be appropriately adjusted between 90:10 and 60:40. If the volume ratio is smaller than 90:10, the effect of suppressing the change in refractive index is reduced.
[0039]
Further, as described in the sixth aspect of the invention, the fine particles are preferably inorganic, and further, as described in the seventh aspect of the invention, are preferably oxides. And as described in the invention of claim 8, it is preferable that the oxide is saturated and the oxide is not oxidized any more.
An inorganic substance is preferable in order to keep the reaction with a plastic material, which is a high molecular organic compound, low, and the oxide causes deterioration in transmittance and wavefront aberration due to long-term irradiation of a blue-violet laser. Can be prevented. In particular, oxidation is likely to be accelerated under the severe condition of being irradiated with a blue-violet laser at a high temperature. However, with such an inorganic oxide, it is possible to prevent transmittance deterioration and wave aberration deterioration due to oxidation.
[0040]
If the diameter of the fine particles dispersed in the plastic material is large, the incident light beam is likely to be scattered and the transmittance of the condensing lens is lowered. In a blue-violet semiconductor laser used for recording / reproducing information in a high-density optical disk, the laser power with which stable laser oscillation can be obtained over a long time is about 30 mW, so that the transmittance of the optical element to the blue-violet laser is low. This is disadvantageous in terms of speeding up of information recording and compatibility with multi-layer discs. Therefore, the diameter of the fine particles dispersed in the plastic material is preferably 20 nm or less, and more preferably 10 to 15 nm or less in order to prevent a decrease in the transmittance of the condenser lens.
[0041]
According to a tenth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to any one of the first to ninth aspects, the aberration correction element is a single lens having one lens group. And
[0042]
The invention according to claim 11 is the optical system for the optical pickup device according to any one of claims 1 to 10, wherein b = B 2 ・ H 2 + B 4 ・ H 4 + B 6 ・ H 6 Optical path difference function Φ defined by + ... b (Mm) represents the optical path difference added to the wavefront transmitted through the diffractive structure (where h is the height from the optical axis (mm), b 2 , B 4 , B 6 ,... Are second-order, fourth-order, sixth-order,... Optical path difference function coefficients), P D = -2 · b 2 Diffraction power P in the paraxial axis defined by D (Mm -1 ) And the paraxial combined power P obtained by combining the aberration correction element and the condenser lens. T (Mm -1 ) Satisfies the following expression (4).
0.03 ≦ P D / P T ≦ 0.15 (4)
[0043]
According to the invention of claim 11, P D / P T Indicates the ratio of the diffraction power in the entire system, that is, the degree of correction of axial chromatic aberration. If this value is determined so as to satisfy the expression (4), the longitudinal chromatic aberration can be corrected satisfactorily.
[0044]
The invention according to claim 12 is the optical system for the optical pickup device according to any one of claims 1 to 11, wherein b = B 2 ・ H 2 + B 4 ・ H 4 + B 6 ・ H 6 Optical path difference function Φ defined by + ... b (Mm) represents the optical path difference added to the wavefront transmitted through the diffractive structure (where h is the height from the optical axis (mm), b 2 , B 4 , B 6 ,... Are second-order, fourth-order, sixth-order,... Optical path difference function coefficients). 2 The optical path difference function coefficients of orders other than are all zero.
[0045]
According to the twelfth aspect of the present invention, the optical path difference function coefficients other than the second order are all set to 0, so that the optical axis perpendicular to the zonal zone of the diffractive structure is corrected compared to the case where the chromatic spherical aberration is corrected by the diffractive structure. Since the length of the direction becomes longer, the transferability at the time of forming the aberration correction element is improved, the diffraction efficiency is improved, the ratio of the luminous flux that does not contribute to the formation of the condensed spot can be suppressed, and the light quantity can be prevented from being reduced.
[0046]
The invention according to claim 13 is the optical system for an optical pickup device according to any one of claims 1 to 12, wherein the diffractive structure includes a central region including an optical axis and an outer side of the central region. A width P in the direction perpendicular to the optical axis of the annular zone, which is composed of a plurality of annular zones divided with fine steps, at the maximum effective diameter position. f (Mm) and the width P in the direction perpendicular to the optical axis of the annular zone at a position of 50% of the maximum effective diameter. h (Mm) satisfies the following expression (5).
0 ≦ | P h / P f -2 | <0.5 (5)
[0047]
According to the invention of claim 13, P h And P f Satisfies the formula (5), the length of the zonal zone of the diffractive structure in the direction perpendicular to the optical axis is longer than that in the case of correcting chromatic spherical aberration with the diffractive structure. The diffraction efficiency is improved, the ratio of the luminous flux that does not contribute to the formation of the condensing spot can be suppressed, and the reduction of the light amount can be prevented.
[0048]
The invention according to claim 14 is the optical system for an optical pickup device according to any one of claims 1 to 13, wherein b = B 2 ・ H 2 + B 4 ・ H 4 + B 6 ・ H 6 Optical path difference function Φ defined by + ... b (Mm) represents the optical path difference added to the wavefront transmitted through the diffractive structure (where h is the height from the optical axis (mm), b 2 , B 4 , B 6 ,... Are second-order, fourth-order, sixth-order,... Optical path difference function coefficients), P D = -2 · b 2 Diffraction power P in the paraxial axis defined by D (Mm -1 ) And the refractive power P at the paraxial axis of the aberration correcting element. R (Mm -1 ) Satisfies the following expression (6).
-1.2 ≦ P D / P R ≦ −0.8 (6)
[0049]
According to the invention of claim 14, P D / P R Indicates the degree of convergence of the light beam emitted from the aberration correction element, and if the condition of the expression (6) is satisfied, the emitted light becomes substantially parallel light, which facilitates the design and manufacture of the condenser lens.
[0050]
The invention according to claim 15 is the optical system for an optical pickup device according to any one of claims 1 to 14, wherein the optical path difference providing structure includes a central region including an optical axis, and Consists of a plurality of annular zones divided with fine steps on the outside, and adjacent optical path differences that cause the spherical aberration of the transmitted wavefront to change in the direction of insufficient correction when the wavelength of the incident light beam changes to the longer wavelength side The spherical surface of the transmitted wavefront is corrected when the spherical aberration change in the overcorrection direction generated in the condenser lens is corrected and the wavelength of the incident light beam is changed to the short wavelength side. It is characterized in that a spherical aberration change in the undercorrection direction generated in the condenser lens is corrected by generating an optical path difference between adjacent annular zones so that the aberration changes in the overcorrection direction.
[0051]
According to the fifteenth aspect of the present invention, chromatic spherical aberration can be corrected by the optical path difference providing structure when the wavelength of the incident light beam changes.
[0052]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to the fifteenth aspect, a change in the wavelength of the incident light beam to a longer wavelength side and / or a short wavelength side of the wavelength of the incident light beam. The change to is an oscillation wavelength change accompanying an environmental temperature change of a laser light source of an optical pickup device on which the optical system is mounted.
[0053]
According to the sixteenth aspect of the present invention, since the chromatic spherical aberration is corrected by the optical path difference providing structure, the spherical aberration does not become too large even when the oscillation wavelength of the semiconductor laser changes with the temperature change. .
[0054]
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to the fifteenth or sixteenth aspect, the wavelength of the incident light beam is changed to the longer wavelength side and / or the wavelength of the incident light beam is short. The change to the wavelength side is a variation in oscillation wavelength due to a manufacturing error of a laser light source of an optical pickup device on which the optical system is mounted.
[0055]
According to the seventeenth aspect of the present invention, since the chromatic spherical aberration is corrected by the optical path difference providing structure, the spherical aberration does not occur even when a semiconductor laser whose laser oscillation wavelength is deviated from the reference wavelength due to a manufacturing error is used. It never gets too big.
[0056]
The invention according to claim 18 is the optical system for an optical pickup device according to any one of claims 15 to 17, wherein, in the optical path difference providing structure, the annular zone adjacent to the outside of the central region is The annular zone is formed by shifting in the optical axis direction so that the optical path length is shorter than the central region, and the annular zone at the maximum effective diameter position is longer than the annular zone adjacent to the inner zone. And the annular zone at a position of 75% of the maximum effective diameter position is an optical path with respect to the annular zone adjacent to the inner side and the annular zone adjacent to the outer side thereof. It is formed by shifting in the direction of the optical axis so that the length becomes shorter.
[0057]
According to the invention described in claim 18, in the optical path difference providing structure, the annular zone adjacent to the outside of the central region is formed so as to be shifted with respect to the central region so that the optical path length becomes shorter. Therefore, it is possible to cancel the spherical aberration in the overcorrected direction that occurs in the condenser lens when the wavelength of the incident light beam changes to the long wavelength side, and when the wavelength of the incident light beam changes to the short wavelength side Spherical aberration in the direction of insufficient correction that occurs in the condenser lens can be canceled out.
[0058]
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to any one of the first to eighteenth aspects, the depth in the optical axis direction of the fine step of the optical path difference providing structure is d. (Μm), where the wavelength of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted is λ (nm), and the refractive index with respect to the wavelength λ of the aberration correction element is n, the following expression (7) is satisfied. It is characterized by that.
3 ≦ d · (n−1) / (λ × 10 -3 ) ≦ 10 (7)
[0059]
According to the nineteenth aspect of the present invention, d · (n−1) / (λ × 10 -3 ) ≦ 10, the spherical aberration due to the change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be corrected well, and 3 ≦ d · (n−1) / (λ × 10 -3 ), The length in the direction perpendicular to the optical axis of the ring zone of the optical path difference providing structure can be ensured so that the optical path difference providing structure can be easily molded, and the transferability at the time of forming the aberration correction element is good. The transmittance is improved, the ratio of the luminous flux that does not contribute to the formation of the condensed spot can be suppressed, and the decrease in the light amount can be prevented.
[0060]
The invention according to claim 20 is the optical system for an optical pickup device according to any one of claims 1 to 19, wherein the wavelength of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted is λ (nm ), Where NA is a numerical aperture obtained by combining the aberration correcting element and the condenser lens, the following equations (8) and (9) are satisfied.
λ ≦ 450nm (8)
0.60 ≦ NA ≦ 0.95 (9)
[0061]
According to a twenty-first aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to any one of the first to twentieth aspects, both the aberration correction element and the condenser lens have a wavefront aberration within the Marshall limit. Aberration correction is performed so that
[0062]
According to the twenty-first aspect of the present invention, the aberration correction element and the condenser lens can be independently evaluated, and thus the manufacture is facilitated.
[0063]
According to a twenty-second aspect of the present invention, in the optical system for an optical pickup device according to any one of the first to twenty-first aspects, the aberration correction element and the condenser lens are bonded via a bonding member, respectively. It is characterized by being.
[0064]
According to the twenty-second aspect of the present invention, since the condenser lens can be tracked integrally with the aberration correcting element, no coma is generated even when the incident light beam deviates from the design wavelength, and good tracking characteristics are obtained. Can be obtained.
[0065]
The invention according to claim 23 is an optical pickup device comprising: a laser light source; and an objective optical system for condensing a light beam emitted from the laser light source onto an information recording surface of an optical disc. The optical system according to any one of claims 1 to 22 is provided.
[0066]
According to a twenty-fourth aspect of the present invention, the optical pickup device according to the twenty-third aspect is mounted, and at least one of recording of information on the optical disk and reproduction of information recorded on the optical disk can be executed. To do.
[0067]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical pickup device 10 according to the present embodiment. The optical pickup device 10 includes a blue-violet semiconductor laser 11 as a light source, a polarizing beam splitter 12, a quarter wavelength plate 16, a collimator 13, and a diaphragm. 18, an objective lens 30, a focusing / tracking biaxial actuator 19, a cylindrical lens 17, a concave lens 14, and a photodetector 15.
Although described in detail later, the optical system for the optical pickup device according to the present invention includes an aberration correction element 40 and a condenser lens 50 that constitute the objective lens 30.
The divergent light beam emitted from the blue-violet semiconductor laser 11 passes through the polarization beam splitter 12, passes through the quarter-wave plate 16 and the collimating lens 13, and becomes a circularly polarized parallel light beam. It is regulated and becomes a spot formed on the information recording surface 21 by the objective lens 30 via the protective layer 22 of the high-density optical disc 20.
[0068]
The reflected light beam modulated by the information pits on the information recording surface 21 becomes a converged light beam again through the objective lens 30, the diaphragm 18 and the collimator lens 13, and then passes through the quarter-wave plate 16 to become linearly polarized light. Reflected by the polarization beam splitter 12, passes through the cylindrical lens 17 and the concave lens 14, gives a critical aberration, and converges to the photodetector 15. The information recorded on the high density optical disk 20 can be read using the output signal of the photodetector 15.
As a light source for emitting laser light having a wavelength of about 400 nm, an SHG blue-violet laser using a second harmonic generation method may be used instead of the blue-violet semiconductor laser.
[0069]
The objective lens 30 has a function of condensing the laser light emitted from the blue-violet semiconductor laser 11 on the information recording surface 21 via the protective layer 22 of the high-density optical disc 20 (for example, a Blu-ray disc). 11 includes a plastic aberration correction element 40 disposed on the 11 side and a glass condensing lens 50 disposed on the high density optical disk 20 side. The NA obtained by combining the aberration correction element 40 and the condenser lens 50 is 0.85.
Further, since the aberration correction element 40 and the condenser lens 50 are joined using the joining member 80, the aberration correction element 40 and the condenser lens 50 are integrated to perform focusing and tracking.
[0070]
As shown in FIG. 2, the objective lens 30 includes a plastic aberration correction element 40, a glass condensing lens 50, and a joining member 80 that are sequentially arranged from the object side.
The condenser lens 50 is a refracting single lens of one group and one lens having at least one aspherical surface (in this embodiment, two surfaces of an incident surface 51 and an output surface 52).
As shown in FIG. 3, the aberration correction element 40 is an optical element in which the shape of the incident surface 41 in the vicinity of the optical axis is planar and the exit surface 42 is concave, and the incident surface 41 is provided with an optical path difference. A structure 60 is formed, and a diffractive structure 70 is formed on the emission surface 42.
[0071]
In the aberration correction element 40 according to the embodiment of the present invention, the optical path difference providing structure 60 is formed on the incident surface 41, and the diffractive structure 70 is formed on the exit surface 42. The diffraction structure 70 may be formed on the surface 41, and the optical path difference providing structure 60 may be formed on the emission surface 42. Further, the optical path difference providing structure 60 may be formed on one of the optical surfaces of the incident surface 41 and the exit surface 42, and the diffractive structure 70 may be formed on each annular zone of the optical path difference providing structure 60. Further, the optical path difference providing structure 60 may be formed on the concave optical surface, and the diffractive structure 70 may be formed on the flat optical surface.
[0072]
As shown in FIG. 3, the optical path difference providing structure 60 includes a central region 61 including a plane that includes the optical axis L and is orthogonal to the optical axis L, and a plurality of annular zones 62 formed outside the central region 61. Consists of
Each annular zone 62 is formed concentrically with the optical axis L as the center, and an inner peripheral edge portion and an outer peripheral edge portion are divided by a minute step 63 extending in the optical axis L direction.
Among the plurality of annular zones 62, the annular zone (annular zone 62 a) adjacent to the outside of the central region 61 has an optical path length shorter than that of the central region 61, that is, along the optical axis L direction. The maximum effective diameter D of the optical surface 1 The annular zone (annular zone 62b) at a position corresponding to is shifted to the light source 11 side along the optical axis L direction so that the optical path length becomes longer than the annular zone 62 (c) adjacent to the inner zone. Maximum effective diameter D 1 The annular zone 62 (d) at a position corresponding to 75% of the optical zone length is shorter than the annular zone 62 (e) adjacent to the inner side and the annular zone 62 (f) adjacent to the outer side. It is formed by shifting to the optical disc 20 side along the optical axis L direction.
[0073]
FIG. 4 is a schematic diagram of an optical pickup device 10 ′ according to the present embodiment. The optical pickup device 10 ′ includes a blue-violet semiconductor laser 11 as a light source, a polarization beam splitter 12, a quarter wavelength plate 16, and a collimator 13. , Aperture 18, objective lens 30 ′, focusing / tracking biaxial actuator 19, cylindrical lens 17, concave lens 14, and photodetector 15.
Although described in detail later, the optical system for an optical pickup device according to the present invention includes an aberration correction element 40 ′ and a condensing lens 50 ′ constituting the objective lens 30 ′.
The divergent light beam emitted from the blue-violet semiconductor laser 11 passes through the polarization beam splitter 12, passes through the quarter-wave plate 16 and the collimating lens 13, and becomes a circularly polarized parallel light beam. It is regulated and becomes a spot formed on the information recording surface 21 by the objective lens 30 via the protective layer 22 of the high-density optical disc 20.
[0074]
The reflected light beam modulated by the information pits on the information recording surface 21 becomes a converged light beam again through the objective lens 30 ′, the diaphragm 18, and the collimating lens 13, and then passes through the quarter-wave plate 16 to be linearly polarized. As a result, the light is reflected by the polarization beam splitter 12, passes through the cylindrical lens 17 and the concave lens 14, is given astigmatism, and converges on the photodetector 15. The information recorded on the high density optical disk 20 can be read using the output signal of the photodetector 15.
As a light source for emitting laser light having a wavelength of about 400 nm, an SHG blue-violet laser using a second harmonic generation method may be used instead of the blue-violet semiconductor laser.
[0075]
The objective lens 30 'has a function of condensing the laser light emitted from the blue-violet semiconductor laser 11 on the information recording surface 21 via the protective layer 22 of the high-density optical disc 20 (for example, a Blu-ray disc). A plastic aberration correction element 40 ′ disposed on the laser 11 side, and an athermal resin condensing lens 50 ′ disposed on the high density optical disk 20 side. The NA obtained by combining the aberration correction element 40 ′ and the condenser lens 50 ′ is 0.85.
Further, since the aberration correction element 40 ′ and the condenser lens 50 ′ are joined using the joining member 80, the aberration correction element 40 ′ and the condenser lens 50 ′ are integrated to perform focusing and tracking.
[0076]
The condensing lens 50 ′ is a refractive single lens made of athermal resin having one group and one lens having at least one aspherical surface (in this embodiment, two surfaces of an incident surface 51 and an output surface 52).
The aberration correction element 40 ′ is an optical element in which the shape of the incident surface near the optical axis is planar and the exit surface is concave. A diffraction structure 70 is formed on the entrance surface 41, and the exit surface 42 is formed on the exit surface 42. An optical path difference providing structure 60 is formed.
[0077]
In the aberration correction element 40 ′ according to the embodiment of the present invention, the diffraction structure 70 is formed on the incident surface 41 and the optical path difference providing structure 60 is formed on the output surface 42. The optical path difference providing structure 60 may be formed on the surface 41, and the diffractive structure 70 may be formed on the exit surface 42. Further, the optical path difference providing structure 60 may be formed on one of the optical surfaces of the incident surface 41 and the exit surface 42, and the diffractive structure 70 may be formed on each annular zone of the optical path difference providing structure 60.
The configuration and function of the optical path difference providing structure 60 and the diffractive structure 70 formed in the aberration correction preventing 40 ′ in the present embodiment are the same as those of the optical path difference providing structure 60 and the diffractive structure 70 of the aberration correcting element 40 described above. Therefore, detailed explanation is omitted.
[0078]
Then, when the light beam emitted from the blue-violet semiconductor laser 11 passes through each annular zone 62 on the incident surface 41 of the aberration correction element 40, the amount of displacement from the central region 61 of the annular zone 62 (the optical axis of the step 63). An optical path difference corresponding to the length in the L direction is given, and a phase difference is generated in each light beam.
[0079]
When the oscillation wavelength of the blue-violet semiconductor laser 11 is the same as the design wavelength of the aberration correction element 40, the light fluxes that have passed through the respective annular zones 62 are aligned with each other so that the phases of the light fluxes are substantially aligned on the information recording surface 21. On the other hand, when the optical path difference is given and the oscillation wavelength of the blue-violet semiconductor laser is longer than the design wavelength of the aberration correction element 40, the adjacent optical path difference is set so that the spherical aberration of the transmitted wavefront changes in the direction of insufficient correction. By occurring between the bands 62, the change in spherical aberration in the overcorrection direction that occurs in the condenser lens 50 is corrected. Similarly, when the oscillation wavelength of the blue-violet semiconductor laser is shorter than the design wavelength of the aberration correction element 40, an optical path difference that causes the spherical aberration of the transmitted wavefront to change in the overcorrected direction is generated between adjacent annular zones 62. As a result, the change in spherical aberration in the direction of insufficient correction that occurs in the condenser lens 50 is corrected.
[0080]
The diffractive structure 70 includes a central region 71 including the optical axis L, and a plurality of annular zones 72 (diffractive annular zones) divided with a fine step 74 in the optical axis L direction outside the central region 71. A sectional shape including the optical axis L of the diffraction ring zone 72 is formed on the concave surface 73 in a stepped shape.
And Φ b = B 2 ・ H 2 + B 4 ・ H 4 + B 6 ・ H 6 Optical path difference function Φ defined by + ... b (Mm) represents the optical path difference added to the wavefront transmitted through the diffractive structure 70, and P D = -2 · b 2 Diffraction power P in the paraxial axis defined by D (Mm -1 ) And the combined power P in the paraxial obtained by combining the aberration correction element 40 and the condenser lens 50. T (Mm -1 ) And (4) satisfy the expression (4), the diffractive structure 70 corrects the axial chromatic aberration generated in the condenser lens 50 in accordance with the wavelength change of the incident light beam.
0.03 ≦ P D / P T ≦ 0.15 (4)
Where h is the height from the optical axis L (mm), b 2 , B 4 , B 6 ,... Represent second-order, fourth-order, sixth-order,... Optical path difference function coefficients, respectively.
Also, the refractive power (mm -1 ) And the diffraction power P on the paraxial axis of the diffraction structure 70 D (Mm -1 ) And the diffractive structure 70 are designed so that the exit surface 42 of the aberration correcting element and the diffraction structure 70 are designed so as to satisfy the expression (6).
-1.2 ≦ P D / P R ≦ −0.8 (6)
[0081]
Maximum effective diameter D 2 The width P in the direction perpendicular to the optical axis L of the diffraction ring zone 72a at the position f (Mm) and maximum effective diameter D 2 Width P in the direction perpendicular to the optical axis L of the annular zone 72b at the position of 50% of h The diffractive structure 70 is designed so that (mm) satisfies the expression (5).
0 ≦ | P h / P f -2 | <0.5 (5)
[0082]
As described above, according to the objective lens system 30 shown in the present embodiment, it is possible to ensure a large working distance by providing the condenser lens 50 disposed exclusively on the optical disc side with the refractive power with respect to the incident light beam. Thus, interference between the objective lens system 30 and the protective layer 22 of the optical disk can be prevented.
Further, since the chromatic aberration of the condenser lens 50 is corrected by the diffractive structure 70, good recording / reproducing characteristics can be maintained even when the wavelength of the incident light beam is instantaneously changed by the mode hopping of the blue-violet laser 11.
[0083]
Further, since the chromatic spherical aberration is corrected by the optical path difference providing structure 60, even when the oscillation wavelength of the blue-violet semiconductor laser 11 is changed due to the temperature change, the spherical aberration is not excessively increased. The maximum effective diameter D is obtained by using the diffraction structure 70 for correcting axial chromatic aberration and using the optical path difference providing structure 60 for correcting chromatic spherical aberration. 2 The width P in the direction perpendicular to the optical axis L of the diffraction ring zone 72a at the position f (Mm) becomes longer, and the transferability when the aberration correction element 40 is molded is improved.
Further, since a structure having fine steps such as the diffractive structure 70 and the optical path difference providing structure 60 is formed on the optical surface of the aberration correction element 40, the path of the light beam incident on the diffractive structure 70 is blocked. Thus, the ratio of the luminous flux that does not contribute to the formation of the condensing spot can be suppressed, and a decrease in the amount of light can be prevented.
[0084]
Although not shown, the optical pickup devices 10 and 10 'described above are combined with a rotation driving device that rotatably holds the optical disc 20, a control device that controls the driving of these various devices, and the like. An optical information recording / reproducing apparatus capable of executing at least one of information recording and information recording on the optical disc 20 can be obtained.
[0085]
Further, in the present embodiment, the optical pickup devices 10 and 10 'are provided with one laser light source 11, and an optical disc of one type (or recording density) (in this embodiment, a high-density optical disc 20). However, the present invention is not limited to this, and a configuration of an optical pickup device having compatibility between two or more types of optical discs using two or more light sources may be used.
[0086]
【Example】
Next, examples of the objective lens system described above will be described. The optical system in this embodiment has a focal length f = 1.765 mm and a paraxial power P. T = 0.567mm -1 The numerical aperture NA = 0.85, the design wavelength λ = 405 nm, and the design reference temperature T = 25 ° C.
The aberration correction element is a plastic lens in which the first surface (incident surface) is flat and the second surface (exit surface) is a concave lens, the optical path difference providing structure on the first surface, and the diffractive structure (diffractive wheel) on the second surface. A band is a staircase shape). Diffraction ring zone width P at the maximum effective diameter position f = 6.75 μm, diffraction zone width P at 50% of maximum effective diameter h = 13.5 μm.
The condensing lens is a glass lens having aspheric surfaces on both sides (third surface and fourth surface), and is set to have a focal length f = 1.765 nm, a magnification m = 0, and a numerical aperture NA = 0.85. ing. Table 1 shows the curvature radius r of the aberration correction element and the condenser lens, the position d in the optical axis L direction from the I-th surface to the (i + 1) -th surface, and the refractive index n at the design wavelength 405 nm 405 , The refractive index at 406 nm is n 406 , The refractive index at 410 nm is n 410 , The Abbe number of d line is v d Represented by
[0087]
[Table 1]
Figure 2005038481
The aspherical surface of the condensing lens has an amount of deformation from a plane in contact with the apex of the surface as X (mm), a height perpendicular to the optical axis as h (mm), and a radius of curvature as r (mm). Then, it is expressed by a mathematical expression in which the coefficient in Table 2 is substituted into the following formula 2. Where κ is the cone coefficient, A 2i Is the aspheric coefficient.
[0088]
[Expression 2]
Figure 2005038481
[Table 2]
Figure 2005038481
[0089]
Further, the diffractive structure of the aberration correction element is represented by an optical path difference added to the transmitted wavefront by this diffractive structure. The optical path difference is obtained by setting the height in the direction perpendicular to the optical axis to h (mm), b 2j Is the optical path difference function coefficient defined by the following equation (3) b It is expressed by a mathematical formula in which the coefficient in Table 3 is substituted for (mm).
[0090]
[Equation 3]
Figure 2005038481
[Table 3]
Figure 2005038481
[0091]
Further, the shape of each ring zone of the optical path difference providing structure is shown in Table 4.
[Table 4]
Figure 2005038481
[0092]
In Table 4, i represents the center region of the optical path difference providing structure and the number of each annular zone. The central region including the optical axis is i = 1, and the annular zone adjacent to the outside of the central region (in the direction away from the optical axis). It is assumed that i = 2 and the annular zone adjacent to the outside is i = 3,. That is, in the aberration correction element of the objective lens in the present embodiment, four annular zones are formed outside the central region. And h i-1 And h i Indicates the center region and the start point height and end point height of each ring zone. m i d represents the amount of shift in the optical axis direction of each annular zone with respect to the central region (positive when the light source is shifted toward the optical disc). For example, an annular zone (i = 2) adjacent to the outside of the central region has shifted 3.86 μm toward the optical disc with respect to the central region. M i Represents the optical path difference with respect to the constraint passing through the central region given to the light beam transmitted through each annular zone at the design reference wavelength of 405 nm. For example, the annular zone adjacent to the outside of the central region (i = 2, m = 5) Since the optical path difference of 5λ (provided that λ = 405 nm) is given to the light beam transmitted through the central region, the phase is delayed by 2π × 5 (rad) in terms of the phase difference. Become.
[0093]
When the wavelength of the incident light beam is changed from the design reference wavelength 405 nm to 410 nm, the wavefront aberration is 0.012 λrms. Further, due to the mode hopping of the blue-violet semiconductor laser, the defocus component of the wavefront aberration when the wavelength of the incident light beam with respect to the objective lens in this embodiment is changed from the design wavelength of 405 nm to 406 nm is 0.024 λrms.
Further, in the objective lens system of the present embodiment, the defocus component of the wavefront aberration when the wavelength of the incident light beam is changed from the design wavelength of 405 nm to 406 nm is 0.111 λrms only for the objective lens excluding the aberration correction element. It became.
Thus, it can be seen that the axial chromatic aberration is corrected by the action of the diffractive structure of the aberration correcting element in the above embodiment, compared to the case of using only the glass objective lens.
[0094]
[Comparative example]
Next, the spherical aberration correction effect of the optical path difference providing structure in the above embodiment will be described. As a comparative example, consider a case where there is no optical path difference providing structure formed on the first surface of the aberration correction element of the above embodiment.
[0095]
In this comparative example, the wavefront aberration when the wavelength of the incident light beam was changed from the design reference wavelength 405 nm to 410 nm was 0.058 λrms.
Accordingly, it can be seen that in the objective lens system of the above embodiment, the spherical aberration generated when the wavelength of the incident light is changed is favorably corrected by the action of the optical path difference providing structure.
[0096]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to secure a sufficient working distance, further correct chromatic aberration and spherical aberration when the wavelength of an incident light beam is changed, and an optical element for a pickup device with high light utilization efficiency, and the optical element is an object. An optical pickup device mounted as a lens and an optical information recording / reproducing device mounted with the optical pickup device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical pickup device according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of an optical system according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a diffractive structure and an optical path difference providing structure.
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of an optical pickup device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Optical pickup device
40 Aberration correction element
50 condenser lens
60 Optical path difference providing structure
61 Central area
62 Ring
70 Diffraction structure
71 Central area
72
80 Joining members

Claims (24)

プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるためのガラス製の集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、
前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも1つずつ有し、
前記集光レンズは、非球面を少なくとも1つ有する1群1枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする光ピックアップ装置用の光学系。
In an optical system for an optical pickup device comprising a plastic aberration correction element and a glass condensing lens for imaging a light beam emitted from the aberration correction element,
The aberration correction element has at least one optical surface on which a diffractive structure is formed and one optical surface on which an optical path difference providing structure is formed,
The optical system for an optical pickup device, wherein the condensing lens is a refractive single lens of one group and one lens having at least one aspherical surface.
プラスチック製の収差補正素子と、該収差補正素子から射出された光束を結像させるための集光レンズと、から構成される光ピックアップ装置用の光学系において、
前記収差補正素子は、回折構造が形成された光学面と、光路差付与構造が形成された光学面と、を少なくとも1つずつ有し、
前記集光レンズは、プラスチック材料中に、直径が30nm以下の粒子を分散させた材料を用いて成形された、非球面を少なくとも1つ有する1群1枚構成の屈折単レンズであることを特徴とする光ピックアップ装置用の光学系。
In an optical system for an optical pickup device composed of an aberration correction element made of plastic and a condensing lens for imaging a light beam emitted from the aberration correction element,
The aberration correction element has at least one optical surface on which a diffractive structure is formed and one optical surface on which an optical path difference providing structure is formed,
The condensing lens is a refractive single lens of one group and one lens having at least one aspherical surface formed by using a material in which particles having a diameter of 30 nm or less are dispersed in a plastic material. An optical system for an optical pickup device.
前記集光レンズは、以下の(1)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の光学系。
|A|<10×10−5 (1)
但し、Aは温度変化に対する前記集光レンズの屈折率の変化率であり、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長に対する前記集光レンズの屈折率n、前記集光レンズの線膨張係数α、前記集光レンズの分子屈折力[R]により、次式であらわされる。
Figure 2005038481
The optical system for an optical pickup device according to claim 2, wherein the condenser lens satisfies the following expression (1).
| A | <10 × 10 −5 (1)
However, A is the rate of change of the refractive index of the condenser lens with respect to temperature change, the refractive index n of the condenser lens with respect to the wavelength of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted, The linear expansion coefficient α and the molecular refractive power [R] of the condenser lens are expressed by the following equation.
Figure 2005038481
前記集光レンズは、以下の(2)式を満たすことを特徴とする請求項3に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
|A|<8×10−5 (2)
The optical system for an optical pickup device according to claim 3, wherein the condenser lens satisfies the following expression (2).
| A | <8 × 10 −5 (2)
前記集光レンズは、以下の(3)式を満たすことを特徴とする請求項4に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
|A|<6×10−5 (3)
The optical system for an optical pickup device according to claim 4, wherein the condenser lens satisfies the following expression (3).
| A | <6 × 10 −5 (3)
前記粒子は無機材料であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The optical system for an optical pickup device according to claim 2, wherein the particles are an inorganic material. 前記無機材料が酸化物であることを特徴とする請求項6に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The optical system for an optical pickup device according to claim 6, wherein the inorganic material is an oxide. 前記酸化物が飽和酸化状態であることを特徴とする請求項7に記載の光ピックアップ装置用の光学系。8. The optical system for an optical pickup device according to claim 7, wherein the oxide is in a saturated oxidation state. 前記集光レンズ中における、前記プラスチック材料と前記粒子との体積比が、9:1乃至9:6の範囲内であることを特徴とする請求項2〜8のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。9. The light according to claim 2, wherein a volume ratio of the plastic material and the particles in the condenser lens is in a range of 9: 1 to 9: 6. Optical system for pickup device. 前記収差補正素子は、1群1枚構成の単レンズであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The optical system for an optical pickup device according to claim 1, wherein the aberration correction element is a single lens having one lens element per group. Φ=b・h+b・h+b・h+・・・・・・で定義される光路差関数Φ(mm)により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に(ここで、hは光軸からの高さ(mm)、b、b、b、・・・・・・はそれぞれ、2次、4次、6次、・・・・・・の光路差関数係数である)、P=−2・bで定義される近軸における回折パワーP(mm−1)と、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる近軸における合成パワーP(mm−1)とが、以下の(4)式を満たすことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
0.03≦P/P≦0.15 (4)
The optical path difference function Φ b (mm) defined by Φ b = b 2 · h 2 + b 4 · h 4 + b 6 · h 6 +... Is added to the wavefront transmitted through the diffractive structure. When the optical path difference is expressed (where h is the height from the optical axis (mm), b 2 , b 4 , b 6 ,... Are the second, fourth, sixth, ..., Diffraction power P D (mm −1 ) on the paraxial axis defined by P D = −2 · b 2 , the aberration correction element, and the condenser lens 11. The optical pickup device according to claim 1, wherein the combined power P T (mm −1 ) in the paraxial obtained by combining the two satisfies the following expression (4): Optical system.
0.03 ≦ P D / P T ≦ 0.15 (4)
Φ=b・h+b・h+b・h+・・・・・・で定義される光路差関数Φ(mm)により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に(ここで、hは光軸からの高さ(mm)、b、b、b、・・・・・・はそれぞれ、2次、4次、6次、・・・・・・の光路差関数係数である)、2次の光路差関数係数b以外の次数の光路差関数係数が全て0であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The optical path difference function Φ b (mm) defined by Φ b = b 2 · h 2 + b 4 · h 4 + b 6 · h 6 +... Is added to the wavefront transmitted through the diffractive structure. When the optical path difference is expressed (where h is the height from the optical axis (mm), b 2 , b 4 , b 6 ,... Are the second, fourth, sixth, The optical path difference function coefficients of orders other than the second order optical path difference function coefficient b 2 are all zero. An optical system for an optical pickup device according to one item. 前記回折構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に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、最大有効径位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅P(mm)と、最大有効径の50%の位置における前記輪帯の光軸に垂直な方向の幅P(mm)とが以下の(5)式を満たすことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
0≦|P/P−2|<0.5 (5)
The diffractive structure is composed of a central region including the optical axis and a plurality of annular zones that are divided with fine steps outside the central region, and is in a direction perpendicular to the optical axis of the annular zone at the maximum effective diameter position. The width P f (mm) and the width P h (mm) in a direction perpendicular to the optical axis of the annular zone at a position of 50% of the maximum effective diameter satisfy the following expression (5): Item 13. An optical system for an optical pickup device according to any one of Items 1 to 12.
0 ≦ | P h / P f −2 | <0.5 (5)
Φ=b・h+b・h+b・h+・・・・・・で定義される光路差関数Φ(mm)により、前記回折構造を透過する波面に付加される光路差を表した場合に(ここで、hは光軸からの高さ(mm)、b、b、b、・・・・・・はそれぞれ、2次、4次、6次、・・・・・・の光路差関数係数である)、P=−2・bで定義される近軸における回折パワーP(mm−1)と、前記収差補正素子の近軸における屈折パワーP(mm−1)とが、以下の(6)式を満たすことを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
−1.2≦P/P≦−0.8 (6)
The optical path difference function Φ b (mm) defined by Φ b = b 2 · h 2 + b 4 · h 4 + b 6 · h 6 +... Is added to the wavefront transmitted through the diffractive structure. When the optical path difference is expressed (where h is the height from the optical axis (mm), b 2 , b 4 , b 6 ,... Are the second, fourth, sixth, ..., Diffraction power P D (mm −1 ) in the paraxial axis defined by P D = −2 · b 2 , and refraction in the paraxial axis of the aberration correction element a power P R (mm -1), the following (6) an optical system for the optical pickup device written in any one of claims 1 to 13, characterized in that satisfies the equation.
−1.2 ≦ P D / P R ≦ −0.8 (6)
前記光路差付与構造は、光軸を含む中心領域と、該中心領域の外側に微細な段差をもって分割された複数の輪帯とから構成され、入射光束の波長が長波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正不足方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正過剰方向への球面収差変化を補正し、かつ、入射光束の波長が短波長側に変化した場合に、透過波面の球面収差が補正過剰方向へ変化するような光路差を隣接する前記輪帯間で発生することで、前記集光レンズで発生する補正不足方向への球面収差変化を補正することを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The optical path difference providing structure is composed of a central region including the optical axis and a plurality of annular zones divided with fine steps outside the central region, and when the wavelength of the incident light beam changes to the long wavelength side The spherical aberration of the transmitted wave front is changed between the adjacent annular zones so that the spherical aberration changes in the direction of undercorrection, thereby correcting the change of spherical aberration in the overcorrection direction generated in the condenser lens, and When the wavelength of the incident light beam is changed to the short wavelength side, an optical path difference that causes the spherical aberration of the transmitted wavefront to change in the overcorrected direction is generated between the adjacent annular zones, thereby generating in the condenser lens. The optical system for an optical pickup device according to claim 1, wherein a change in spherical aberration in a direction of insufficient correction is corrected. 前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び/又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、環境温度変化に伴う発振波長変化であることを特徴とする請求項15に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The change of the wavelength of the incident light beam to the long wavelength side and / or the change of the wavelength of the incident light beam to the short wavelength side is caused by a change in the environmental temperature of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted. The optical system for an optical pickup device according to claim 15, wherein the oscillation wavelength change is accompanied. 前記入射光束の波長の長波長側への変化、及び/又は、前記入射光束の波長の短波長側への変化は、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の、製造誤差による発振波長ばらつきであることを特徴とする請求項15又は16に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The change of the wavelength of the incident light beam to the longer wavelength side and / or the change of the wavelength of the incident light beam to the shorter wavelength side is caused by the manufacturing error of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted. The optical system for an optical pickup device according to claim 15 or 16, wherein the optical system has wavelength variation. 前記光路差付与構造において、前記中心領域の外側に隣接する前記輪帯は、前記中心領域に対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯に対して光路長が長くなるように光軸方向に変移して形成され、かつ、最大有効径位置の75%の位置における前記輪帯は、その内側に隣接する輪帯とその外側に隣接する輪帯とに対して光路長が短くなるように光軸方向に変移して形成されていることを特徴とする請求項15〜17のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。In the optical path difference providing structure, the annular zone adjacent to the outside of the central region is formed by shifting in the optical axis direction so as to shorten the optical path length with respect to the central region, and at the maximum effective diameter position. The annular zone is formed by shifting in the optical axis direction so that the optical path length becomes longer with respect to the annular zone adjacent to the inner zone, and the annular zone at a position of 75% of the maximum effective diameter position is 18. An annular zone that is adjacent to the inner side and an annular zone that is adjacent to the outer side thereof are formed by being shifted in the optical axis direction so that the optical path length is shortened. An optical system for the optical pickup device according to the item. 前記光路差付与構造の前記微細な段差の光軸方向の深さをd(μm)、前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ(nm)、前記収差補正素子の前記波長λに対する屈折率をnとしたとき、以下の(7)式を満たすことを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
3≦d・(n−1)/(λ×10−3)≦10 (7)
The depth of the fine step of the optical path difference providing structure in the optical axis direction is d (μm), the wavelength of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted is λ (nm), and the aberration correction element has the wavelength The optical system for an optical pickup device according to claim 1, wherein the following expression (7) is satisfied, where n is a refractive index with respect to the wavelength λ.
3 ≦ d · (n−1) / (λ × 10 −3 ) ≦ 10 (7)
前記光学系が搭載される光ピックアップ装置のレーザー光源の波長をλ(nm)、前記収差補正素子と前記集光レンズとを組み合わせて得られる開口数をNAとしたとき、以下の(8)及び(9)式を満たすことを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。
λ≦450nm (8)
0.60≦NA≦0.95 (9)
When the wavelength of the laser light source of the optical pickup device on which the optical system is mounted is λ (nm) and the numerical aperture obtained by combining the aberration correction element and the condenser lens is NA, the following (8) and The optical system for an optical pickup device according to claim 1, wherein the formula (9) is satisfied.
λ ≦ 450nm (8)
0.60 ≦ NA ≦ 0.95 (9)
前記収差補正素子と前記集光レンズは共に、波面収差がマレシャル限界内となるように収差補正されていることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。21. The optical pickup device according to claim 1, wherein both the aberration correction element and the condensing lens are subjected to aberration correction so that a wavefront aberration is within a Marechal limit. Optical system. 前記収差補正素子と前記集光レンズは、それぞれ、接合部材を介して接合されていることを特徴とする請求項1〜21のいずれか一項に記載の光ピックアップ装置用の光学系。The optical system for an optical pickup device according to any one of claims 1 to 21, wherein the aberration correction element and the condensing lens are each joined via a joining member. レーザー光源と、前記レーザー光源から射出された光束を光ディスクの情報記録面上に集光するための対物光学系と、を有する光ピックアップ装置において、前記対物光学系として、請求項1〜22のいずれか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。23. An optical pickup apparatus comprising: a laser light source; and an objective optical system for condensing a light beam emitted from the laser light source on an information recording surface of an optical disc. An optical pickup device comprising the optical system according to claim 1. 請求項23に記載の光ピックアップ装置を搭載して光ディスクに対する情報の記録及び光ディスクに記録された情報の再生のうち、少なくとも一方を実行可能であることを特徴とする光情報記録再生装置。24. An optical information recording / reproducing apparatus comprising the optical pickup device according to claim 23, wherein at least one of recording of information on an optical disk and reproduction of information recorded on the optical disk can be executed.
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