JP2005215620A

JP2005215620A - 光学素子と光ピックアップ装置

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Publication number: JP2005215620A
Application number: JP2004025494A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Miki; 剛三樹
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】大きな球面収差を理想的に補正することができる光学素子を得る。
【解決手段】一定間隔を隔てて対向する一組の透明なダイアフラム２，３を有するハウジング４内に、ダイアフラム２，３の材質とほぼ同一の屈折率を有する液体１１を満たし、圧電素子１４により油圧シリンダ８のピストン１２を前進又は後退させてハウジング４内の液体１１の圧力を可変してダイアフラム２の曲率を無段階にかつ任意に変更し、光学素子１を通る光の光路及び波面を任意に変調する。
【選択図】図１

Description

この発明は、球面収差を補正することができる光学素子及び多層の記録媒体に情報を記録あるいは再生又は記録と再生を行う光ピックアップ装置に関するものである。

近年の光ディスクの大容量化は、主に記録波長の短波長化と対物レンズの高開口数化による最短記録波長の改善による記録密度の向上により成し遂げられてきた。この記録密度は光の回折限界で決定されてしまい、近年のコンピュータ等の情報機器を取り巻く情報量の増大に対応していくためには限度があり、これに対して光の透過性を利用して、記録媒体全体を有効利用し大容量記録を成し遂げようとする試みは、ホログラムメモリーに端を発し、ビット記録よる３次元光記録へと続いてきた。このビット記録による３次元光記録は、現用の記録層が１層の光記録に比較し、深さ方向に多層化した分だけ大容量化が可能であり、記録層が１層の場合と比べて１００倍を越える大容量の記録の実現が期待されている。

しかしながら光ディスクの深さ方向に記録層を例えば１００層と多層化した場合、層間距離を５μｍとしても、記録層全体では厚さが５００μｍになり、例えば中間である５０層目の記録層に対し最適化された光学系では、最上層や最下層の記録層に情報を記録したり再生する場合、光路中に占める媒体部分の厚さが相違し、屈折率のミスマッチにより大きな球面収差が発生する。この球面収差の発生は、再生信号の劣化を引き起こすため、許容値以下に補正する必要がある。

また、高開口数の対物レンズで青色レーザーを集光して光ディスクに情報を記録したり再生する場合、記録層が単層の光ディスクでも、記録層を覆う透明基板の膜厚の誤差により発生する球面収差が問題となっている。また、記録層を２層有する光ディスクにおいても、例えば開口数０．８５の高開口数とした対物レンズを使用すると、同様に球面収差の発生による読出し信号のコントラストの低下が問題となっている。

この球面収差を補正する方法として、特許文献１に示すように、第１のレンズと第２のレンズにより構成された例えば開口数が０．８５の２群の対物レンズの、第１のレンズを第２のレンズに対して光軸方向に移動して、第１のレンズと第２のレンズの距離を調整しながら、２群の対物レンズを一体で移動してフォーカスオフセットを最適化するようにしている。

また、特許文献２に示された球面収差の補正方法は、本体にスラストベアリングを介して移動自在の取付け、ボイスコイルモータにより光軸方向に移動操作可能な可動レンズ群を有する球面収差補正レンズ群を、光源と対物レンズの間の光路に設け、光ディスクの透明基板の厚さに応じて可動レンズ群の位置を制御している。

特許文献３に示された球面収差の補正方法は、液晶素子を有し、液晶素子への電圧印加により光ビームの球面収差とコマ収差を補正する収差補正素子を光源と対物レンズの間の光路に設け、対物レンズの基準位置からの位置ずれに応じて収差補正素子の収差補正量を制御するようにしている。
特開２０００−４０２３７号公報特開２００２−３５２４４９号公報特開２００２−３５８６９０号公報

特許文献１に示された球面収差の補正方法は、補正範囲が波面収差を損なわない範囲という制約があり、記録層を例えば１００層と多層化した場合には適用できない。また、特許文献２に示された球面収差の補正方法は、特許文献１に示された補正方法より補正量は大きいが、波面収差と両立するには可動部分が複雑となり、かつ、制御が難しくなってしまう。特許文献３に示された球面収差の補正方法は、収差の補正量を電気的に容易に制御できるが、補正可能な収差量には単一の収差補正素子を使用した場合、補正可能な収差量に限界がある。
このため、いずれの補正方法を使用しても、多層の記録層を有する光ディスクに要求される球面収差補正量を確保することは困難であった。

この発明は、かかる短所を改善し、大きな球面収差を理想的に補正することができる光学素子と光ピックアップ装置を提供することを目的とするものである。

この発明の光学素子は、一定間隔を隔てて対向する一組の透明なダイアフラム間に、前記ダイアフラムの材質とほぼ同一の屈折率を有する液体を満たし、液体の圧力を可変して、前記ダイアフラムの一方又は両方の形状と曲率を変化させることを特徴とする。

この発明の第２の光学素子は、外周端部又は光軸上で一定間隔を隔てて対向する一組の透明なダイアフラム間に、前記ダイアフラムの材質とほぼ同一の屈折率を有する液体を満たし、外周端部又は光軸上以外のダイアフラム間の間隔を可変して、前記ダイアフラムの一方又は両方の形状と曲率を変化させることを特徴とする。

前記一組の対向するダイアフラムを少なくとも二組光軸に沿って設け、各ダイアフラム間の間隔を個別に可変する。

また、前記二組の対向するダイアフラムのうち、一方のダイアフラム間の間隔を光軸に対して対称に可変し、他方のダイアフラム間の間隔を光軸に対して非対称に可変することが望ましい。

また、前記対向するダイアフラム間の間隔を、対向するダイアフラム間に設けた圧電素子により可変したり、ボイスコイルと電磁石からなる磁気駆動手段により可変すると良い。

この発明の光ピックアップ装置は、前記光学素子を有し、多層記録媒体に情報を記録したり、多層記録媒体に記録された情報を読み取ることを特徴とする。

この発明の光学素子は、一定間隔を隔てて対向する一組の透明なダイアフラム間に満たしたダイアフラムの材質とほぼ同一の屈折率を有する液体の圧力を可変したり、外周端部又は光軸上で一定間隔を隔てて対向する一組の透明なダイアフラム間にダイアフラムの材質とほぼ同一の屈折率を有する液体を満たし、外周端部又は光軸上以外のダイアフラム間の間隔を可変して、前記ダイアフラムの一方又は両方の形状と曲率を変化させて、ダイアフラムの一方又は両方の形状と曲率を変化させることにより、大きな球面収差補正を可能にする。

また、一組の対向するダイアフラムを少なくとも二組光軸に沿って設け、各ダイアフラム間の間隔を個別に可変することにより、正負両方向の曲率の面を形成することができるとともに無段階の大きな球面収差の補正量を得ることができる。

さらに、二組の対向するダイアフラムのうち、一方のダイアフラム間の間隔を光軸に対して対称に可変し、他方のダイアフラム間の間隔を光軸に対して非対称に可変することにより、球面収差補正とともにチルト補正を行うことができる。

また、前記対向するダイアフラム間の間隔を、対向するダイアフラム間に設けた圧電素子により可変したり、ボイスコイルと電磁石からなる磁気駆動手段により可変することにより高速で球面収差補正やチルト補正を行うことができるとともに、力点を複数に分散させることができ、対向するダイアフラムを所望の形状に変形することができ、ダイアフラムの形状を光軸に対して対称だけでなく非対称にも制御することができ、非対称に発生する収差も補正することができる。

さらに、ボイスコイルを使用することにより、低電圧の電源によりダイアフラムの形状を変形することができる。

この光学素子を使用した光ピックアップ装置で、多層記録媒体に情報を記録したり、多層記録媒体に記録された情報を読み取ることにより、多層記録媒体の各記録面に記録されて情報を精度良く読み取ることができるとともに、多層記録媒体の各記録面に高コントラストで情報を記録することができる。

図１はこの発明の光学素子の構成を示す断面図である。図に示すように、光学素子１は、第１のダイアフラム２と第２のダイアフラム３と、円筒状に形成され、両端部で第１のダイアフラム２と第２のダイアフラム３を対向して保持するハウジング４を有する。第１のダイアフラム２は、透明な合成樹脂、例えば透明度に優れたメタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）により薄く形成され、外周部が上面固定リング５と下面固定リング６によりハウジング４の一方の端部に固定されている。第２のダイアフラム３は光学ガラス、例えばＢＫ７により形成され、ハウジング４の他方の端部に直接固定されている。ハウジング４の側面にはポート７が設けられ、ポート７には油圧シリンダ８に連結された油圧ホース９が取付けられている。第１のダイアフラム２と第２のダイアフラム３及びハウジング４で形成された空間と、油圧ホース９並びに油圧シリンダ８のシリンダチューブ１０内には、第１のダイアフラム２を形成するメタクリル樹脂の屈折率1.48〜1.50とほぼ同じ屈折率か同じ屈折率を有する油浸レンズ用マッチングオイル（以下、オイルという）１１、例えば屈折率1.4730のグリセリンや屈折率1.516のセダ油等が満たされている。油圧シリンダ８のピストン１２は基材１３に固定した圧電素子１４に連結され、圧電素子１４により駆動されシリンダチューブ１０内で前後に移動する。圧電素子１４には、駆動電圧を可変する曲率可変制御部１５が接続されている。

この光学素子１で曲率可変制御部１５から圧電素子１４に駆動電圧を印加して、圧電素子１４により油圧シリンダ８のピストン１２を前進させると、油圧シリンダ８内のオイル１１が加圧され、ハウジング４内の油圧が高くなり、この油圧により第１のダイアフラム２の上面固定リング５と下面固定リング６以外の部分が凸形状に変形する。また、圧電素子１４により油圧シリンダ８のピストン１２を後退すると、油圧シリンダ８内のオイル１１が負圧になり、ハウジング４内の油圧が低くなって第１のダイアフラム２を凹形状に変形する。この形状を球面状に変形する第１のダイアフラム２の曲率はハウジング４内の油圧に応じて変化する。そこで曲率可変制御部１５から圧電素子１４に印加する駆動電圧を可変制御することにより、第１のダイアフラム２の曲率を無段階にかつ任意に可変することができ、光学素子１を通る光の光路及び波面を任意に変調することができる。

この光学素子１を使用して多層に記録層を有する多層記録媒体に情報を記録あるいは再生又は記録と再生を行う光ピックアップ装置の構造を図２の構成図に示す。

光ピックアップ装置２０は、図２に示すように、再生用及びフォーカス・トラッキングのサーボにかかわる再生用レーザ光を出射する再生用光源２１と記録用のレーザ光を出射する記録用光源２２を有する。

多層記録媒体４０に記録した情報を再生するときは、再生用光源２１からパルスレーザを出射する。再生用光源２１から出射したレーザ光は、カップリングレンズ２３により並行光となり、無偏光ビームスプリッタ２５により光路を変え、偏光ビームスプリッタ２６と１／４波長板２７よりなる光アイソレータを通り円偏光に変換される。このレーザ光は光学素子１により球面収差が補正された後、対物レンズ２８により多層記録媒体４０のいずれかの記録面に集光される。集光された光の一部は、記録面を構成する異種界面の屈折率差により反射する。この反射光は旋光方向が逆転している。多層記録媒体４０からの反射光は、光学素子１を通過して１／４波長板２７により入射光と直交する直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２６により検出系へ導かれる。検出系に導かれたレーザ光は集光レンズ２９により集光され、ピンホール３０により焦点以外からの反射光や散乱光が除去された後、集光レンズ３１によりにより再度集光され、シリンドリカルレンズ３２を通り、４分割アバランシェ・フォトダイオードからなる受光素子３３に入射する。この受光素子３３に入射したレーザ光による信号によりトラッキング・フォーカスサーボがかけられる。また、受光素子３３から出力する各領域の和信号により、多層記録媒体４０の各記録面に記録された情報を再生する。この受光素子３３の出力信号は光学素子１の曲率可変制御部１５にも入力される。曲率可変制御部１５は受光素子３３の出力信号が最大になるように圧電素子１４の駆動電圧を制御して、受光素子１の第１のダイアフラムの曲率を可変する。このように受光素子１の第１のダイアフラムの曲率を可変することにより、大きな球面収差補正が可能になり、多層記録媒体４０の各記録面に記録されて情報を精度良く読み取ることができる。また、圧電素子１４の駆動電圧を制御して第１のダイアフラムの曲率を可変することにより、第１のダイアフラムの曲率を高速で可変することができる。

多層記録媒体４０に情報を記録するときは、記録用光源２２からパルスレーザを出射する。記録用光源２２から出射したレーザ光はビームエキスパンダー２４と無偏光ビームスプリッター２５と偏光ビームスプリッタ２６と１／４波長板２７を通り、光学素子１により球面収差が補正された後、対物レンズ２８により多層記録媒体４０のいずれかの記録面に集光される。この記録用レーザ光は再生用レーザ光と同軸となるよう調整されている。したがって記録用レーザ光の焦点と再生用レーザ光の焦点は多層記録媒体４０内で一致するので記録時のトラキング・フォーカスサーボも可能である。この多層記録媒体４０の各記録面に情報を記録するとき、各記録面からの反射光を受光素子３３で検出し、その出力が最大になるように曲率可変制御部１５で光学素子１の圧電素子１５に対する駆動電圧を制御する。多層記録媒体４０の記録面に記録用レーザ光の焦点が結ばれると、焦点位置で電界強度が高まって記録層の屈折率が高くなり、情報が書き込まれたスポットを形成する。このようにして多層記録媒体４０の各記録面に高コントラストで情報を記録することができる。

前記説明では光学素子１の第１のダイアフラム２の曲率を可変する場合について説明したが、第１のダイアフラム２と第２のダイアフラム３の両方の曲率を可変するようにしても良い。

前記光学素子１は圧電素子１４により油圧シリンダ８を駆動してハウジング４内のオイル１１の圧力を可変して第１のダイアフラム２又は、第１のダイアフラム２と第２のダイアフラム３の曲率を可変する場合について説明したが、次に、圧電素子でダイアフラムの曲率を直接可変する第２の光学素子１ａについて説明する。

第２の光学素子１ａは、図３の構成図に示すように、透明な合成樹脂、例えば透明度に優れたメタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）により薄く形成され、中心部に柱４１を有する第１のダイアフラム４２と、光学ガラス、例えばＢＫ７により形成された第２のダイアフラム４３が対向して配置されている。第１のダイアフラム４２は、中心部の柱４１が第２のダイアフラム４３の中心部に固定され、外周部がダイアフラム固定リング４４により例えばベローズなどのフレキシブルハウジング４５の一方の端部に固定されている。フレキシブルハウジング４５の他方の端部は第２のダイアフラム４３に直接固定され、フレキシブルハウジング４５内には、油浸レンズ用マッチングオイル４６が満たされている。このフレキシブルハウジング４５の外周側には、円筒状に形成された圧電素子４７がダイアフラム固定リング３４と第２のダイアフラム４３に接合して設けられている。

この第２の光学素子１ａの圧電素子４７に駆動電圧を印加すると、印加した駆動電圧に応じて生じて圧電素子４７に生じるひづみによりダイアフラム固定リング４４と第２のダイアフラム４３の間隔が変化する。このとき第１のダイアフラム４２は中心部が柱４１により第２のダイアフラム４３に固定してあるから、第２のダイアフラム４３との間隔は中心部では変化しないで、柱４１のない外周部で変化し、第１のダイアフラム４２はフレキシブルハウジング４５内のオイル４６の圧力により曲面形状を示す。そこで圧電素子４７に印加する駆動電圧を曲率可変制御部１５で可変することにより、第１のダイアフラム４２の曲面形状を凸形状にしたり凹形状にすることができるとともに、その曲率を変えることができ、第２の光学素子１ａで任意の焦点距離を有するレンズを構成することができる。したがって第２の光学素子１ａを、図２に示す光ピックアップ装置２０に使用することにより、大きな球面収差補正が可能になり、多層記録媒体４０の各記録面に記録されて情報を精度良く読み取ることができるとともに、多層記録媒体４０の各記録面に高コントラストで情報を記録することができる。

前記説明では第１のダイアフラム４２の曲率を可変する場合について説明したが、第１のダイアフラム４２と第２のダイアフラム４３の両方の曲率を可変するようにしても良い。また、第１のダイアフラム４２と第２のダイアフラム４３の材質や幾何学的形状、厚さなどを適宜選択することにより、任意の形状を採用することができる。

また、圧電素子の代わりにボイスコイルを使用して曲率を可変するようにしても良い。このボイスコイルを使用した第３の光学素子１ｂについて説明する。この第３の光学素子１ｂは、図４の構成図に示すように、透明な合成樹脂、例えば透明度に優れたメタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）により薄く形成され、中心部に柱４１を有する第１のダイアフラム４２と、光学ガラス、例えばＢＫ７により形成された第２のダイアフラム４３が対向して配置されている。第１のダイアフラム４２は、中心部の柱４１が第２のダイアフラム４３の中心部に固定され、外周部がダイアフラム固定リング４４により例えばベローズなどのフレキシブルハウジング４５の一方の端部に固定されている。フレキシブルハウジング４５の他方の端部は第２のダイアフラム４３に直接固定され、フレキシブルハウジング４５内には、油浸レンズ用マッチングオイル４６が満たされている。ダイアフラム固定リング４４の外周端には、ヨークを兼ねたフレーム４８が固定され、フレーム４８にボイスコイル４９が設けられている。第２のダイアフラム４３の外周端には、ボイスコイル４９と磁気駆動部を構成する電磁石５０を有するフレーム５１が固定されている。

この第３の光学素子１ｂでボイスコイル４９に駆動電流を通電すると、通電した駆動電流に応じてダイアフラム固定リング４４と第２のダイアフラム４３の間隔が変化する。このとき第１のダイアフラム４２は中心部が柱４１により第２のダイアフラム４３に固定してあるから、第２のダイアフラム４３との間隔は中心部では変化しないで、柱４１のない外周部で変化し、第１のダイアフラム４２はフレキシブルハウジング４５内のオイル４６の圧力により曲面形状を示す。そこでボイスコイル４９に供給する駆動電流を曲率可変制御部１５で可変することにより、第１のダイアフラム４２の曲面形状を凸形状にしたり凹形状にすることができるとともに、その曲率を変えることができ、第３の光学素子１ｂで任意の焦点距離を有するレンズを構成することができる。したがって第３の光学素子１ｂを、図２に示す光ピックアップ装置２０に使用することにより、大きな球面収差補正が可能になり、多層記録媒体４０の各記録面に記録されて情報を精度良く読み取ることができるとともに、多層記録媒体４０の各記録面に高コントラストで情報を記録することができる。

次に圧電素子とボイスコイルを使用して曲率を可変する第４の光学素子１ｃについて説明する。第４の光学素子１ｃは、図５の構成図に示すように、第３の光学素子１ｂと第２の光学素子１ｂを一体にしたものであり、第３の光学素子１ｂの第２のダイアフラム４３の、第１のダイアフラム４２と対向する面と反対側の面に対向して第３のダイアフラム５２が配置されている。第３のダイアフラム４２は、中心部の柱５３が第２のダイアフラム４３の中心部に固定され、外周部がダイアフラム固定リング５４によりベローズなどのフレキシブルハウジング５５の一方の端部に固定されている。フレキシブルハウジング５５の他方の端部は第２のダイアフラム４３に直接固定され、フレキシブルハウジング５５内にも油浸レンズ用マッチングオイル４６が満たされている。このフレキシブルハウジング５５の外周側には、円筒状に形成された圧電素子４７がダイアフラム固定リング５４と第２のダイアフラム４３に接合して設けられている。

この第４の光学素子１ｃは、ボイスコイル４９に供給する駆動電流と、圧電素子４７に印加する駆動電圧をそれぞれ独立して可変することにより、第１のダイアフラム４２と第３のダイアフラム５２の曲面形状を凸形状にしたり凹形状にすることができるとともに、その曲率を変えることができ、任意の焦点距離を有するレンズを構成することができる。したがって第４の光学素子１ｃを、図２に示す光ピックアップ装置２０に使用することにより、大きな球面収差補正が可能になり、多層記録媒体４０の各記録面に記録されて情報を精度良く読み取ることができるとともに、多層記録媒体４０の各記録面に高コントラストで情報を記録することができる。

また、図６の構成図に示すように、第３のダイアフラム５２の外周部を固定するダイアフラム固定リング５４の中央部に切欠き５６を設け、圧電素子４７に印加する駆動電圧により、第３のダイアフラム５２を左右で異なる動作をさせるようにしても良い。このように、第１のダイアフラム４２を軸対称に変形させ、第３のダイアフラム５２を中心軸に対して非対称に変形させることにより、光ピックアップ装置２０に使用した場合、球面収差補正をすると同時にチルト補正も行うことができる。

この発明の光学素子の構成を示す断面図である。この発明の光ピックアップ装置の構成図である。第２の光学素子の構成を示す断面図である。第３の光学素子の構成を示す断面図である。第５の光学素子の構成を示す断面図である。第５の光学素子の他の構成を示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ；光学素子，２，４２；第１のダイアフラム、
３，４３；第２のダイアフラム、４；ハウジング、５；上面固定リング、
６；下面固定リング、７；ポート、８；油圧シリンダ、９；油圧ホース、
１０；シリンダチューブ、１１；オイル、１２；ピストン、１３；基材、
１４；圧電素子、１５；曲率可変制御部、２０；光ピックアップ装置、
２１；再生用光源、２２；記録用光源、２３；カップリングレンズ、
２４；ビームエキスパンダー、２５；無偏光ビームスプリッタ、
２６；偏光ビームスプリッタ、２７；１／４波長板、２８；対物レンズ、
２９；集光レンズ、３０；ピンホール、３１；集光レンズ、
３２；シリンドリカルレンズ、３３；受光素子、４０；多層記録媒体、
４４；ダイアフラム固定リング、４５；フレキシブルハウジング、
４６；オイル、４７；圧電素子、４８；フレーム、４９；ボイスコイル、
５０；電磁石、５１；フレーム、５２；第３のダイアフラム、
５５；フレキシブルハウジング、５６；切欠き。

Claims

一定間隔を隔てて対向する一組の透明なダイアフラム間に、前記ダイアフラムの材質とほぼ同一の屈折率を有する液体を満たし、液体の圧力を可変して、前記ダイアフラムの一方又は両方の形状と曲率を変化させることを特徴とする光学素子。
外周端部又は光軸上で一定間隔を隔てて対向する一組の透明なダイアフラム間に、前記ダイアフラムの材質とほぼ同一の屈折率を有する液体を満たし、外周端部又は光軸上以外のダイアフラム間の間隔を可変して、前記ダイアフラムの一方又は両方の形状と曲率を変化させることを特徴とする光学素子。
前記一組の対向するダイアフラムを少なくとも二組光軸に沿って設け、各ダイアフラム間の間隔を個別に可変する請求項２記載の光学素子。
前記二組の対向するダイアフラムのうち、一方のダイアフラム間の間隔を光軸に対して対称に可変し、他方のダイアフラム間の間隔を光軸に対して非対称に可変する請求項３記載の光学素子。
前記対向するダイアフラム間の間隔を、対向するダイアフラム間に設けた圧電素子により可変する請求項２乃至４のいずれかに記載の光学素子。
前記対向するダイアフラム間の間隙を、ボイスコイルと電磁石からなる磁気駆動手段により可変する請求項２乃至４のいずれかに記載の光学素子。
請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする光ピックアップ装置。