JP2005285294A - 光ピックアップ及び反射型球面収差補正素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 多層ディスクの記録再生を行う光ピックアップにおいて、層間移動等の際に生じる球面収差を補正する手段として、小型化し易く、組み立てや位置調整が容易な反射型球面収差補正素子を提供する。
【解決手段】 球面収差を補正する手段として、光路上に凹凸に変形する反射面を有する反射型球面収差素子４０を配置する。この反射型球面収差補正素子４０は、半導体基板４１上にピエゾ薄膜４４を電極膜４３、４５で挟んた構造の振動板（ダイアフラム）を積層した座屈型マイクロアクチュエータを含むものであり、各電極膜４３、４５間の印加電圧を制御することで振動板による反射面の曲率を変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ディスク等の光記録媒体に対して記録や再生の処理動作を行う光ピックアップに関し、特にその光学系において各種の要因によって生じる球面収差を補正する反射型球面収差補正素子に関するものである。

従来、光ディスク記録再生装置や光ディスク再生装置等の光ピックアップにおいては、光ディスクの高密度化を実現するため、高ＮＡ化やレーザ光源の短波長化といったアプローチが取られてきた。しかしこれらのアプローチが一定の成果を収め、これ以上の高ＮＡ化や短波長化が難しくなっていることもあり、現在は情報記録層の２層膜化、多層膜化への検討が各社で進められている。
例えば、２層膜記録媒体の場合、２つの情報記録膜の間隔が約２０μｍとなり、焦点距離が変化するため、表面側の記録膜に光学的条件を合わせた光学系で、奥側の記録膜にフォーカスを合わせた場合に球面収差が発生する。
そして、この収差を補正するには、レンズと光ディスクとの間の距離を変化させる、液晶デバイスやエキスパンダレンズ等の球面収差補正手段によって光路中に屈折率の分布を持たせ、波面収差を低減するなどの方法が取られている（例えば特許文献１〜３参照）。
特開平９−２５１６６２号公報 特開２００２−１０００６１号公報 特開２００３−１６６６０号公報

しかしながら、上記従来の液晶デバイス等の球面収差補正手段を設ける方法では、光学系が大型化したり、光量が減少したりするなど問題点が多い。
特に液晶デバイスでは、ガラス基板上にパターン電極を設けて液晶にかける電圧に分布を持たせているため、液晶パターン像にも中心が存在し、液晶とレンズ中心とのずれ量も問題となってくる。
特にＮＡが高くなればなるほど、このずれ量のマージンは狭くなるため、光ピックアップの組み立ての際に、厳密な位置合わせが要求される。しかし、液晶デバイスはレンズホルダに組み込む形となる場合が多いため、レンズを光学ブロック上に取付けた後で位置調整を行うことが難しい場合も多い。

そこで本発明は、小型化し易く組み立てや位置調整が容易な球面収差補正素子、及びその球面収差補正素子を設けた光ピックアップを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の光ピックアップは、光記録媒体に対向配置される対物レンズと、前記対物レンズをトラッキング方法及びフォーカス方向に駆動制御する駆動手段と、光源からの光ビームを前記対物レンズを通して光記録媒体に集光させる光学系と、前記光ビームに生じる球面収差を光学系内で補正する球面収差補正素子と、前記光記録媒体からの戻り光を光学系を通して受光する光検出器とを有し、前記球面収差補正素子は、前記光ビームの出射光路内で光学系から導かれる光ビームを反射して光路内に戻す反射面と、前記反射面の曲率を変化させて球面収差補正を行う圧電素子とを有する反射型球面収差補正素子であることを特徴とする。
また本発明の反射型球面収差補正素子は、光ビームの光路内で光学素子から導かれる光ビームを反射して光学素子に戻す反射面と、前記反射面の曲率を変化させて光ビームの球面収差補正を行う圧電素子とを有することを特徴とする。

本発明の光ピックアップ及び反射型球面収差補正素子によれば、光ビームの出射光路内で光学系から導かれる光ビームを反射して光路内に戻す反射面と、この反射面の曲率を変化させる圧電素子とを有する反射型球面収差補正素子によって球面収差補正を行うようにしたことから、小型で光量の減少も少ない反射型素子によって球面収差補正を行うことができ、また光軸調整もこれまでの光学部品と同様の手段で可能であり、従来の球面収差補正手段では実現できなかった課題を解決できる効果がある。

本発明の実施の形態では、球面収差を補正する手段として、光路上に凹凸に変形する反射面を有する反射型球面収差補正素子を配置する。この反射型球面収差補正素子は、半導体基板上にピエゾ薄膜を電極膜で挟んた構造の振動板（ダイアフラム）を積層した座屈型マイクロアクチュエータを含むものであり、各電極膜間の印加電圧を制御することで振動板による反射面の曲率を変化させる。このような反射型素子は、小型で光量の減少も少なく、また、光軸調整もこれまでの光学部品と同様の手段で可能であり、従来の球面収差補正手段に比して、装置の小型化や組み立ての容易化を図ることができる。

図１は本発明の実施例による反射型球面収差補正素子を用いた光学系の素子配置を示す断面図である。
図示のように、この光学系は、２群対物レンズ１０、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０、１／４波長板（ＱＷＰ）３０、反射型球面収差補正素子４０で構成され、このうち反射型球面収差補正素子４０が本発明の特徴となる部分である。
以下、この光学系の概略を説明すると、まず図１の左側に図示しない光源があり、この光源からの光ビームが図示しないコリメータレンズ、及びグレーティングを通して平行光となりＰＢＳ２０に入射する。そして、このＰＢＳ２０を透過した平行光は、１／４波長板３０を通して円偏光となり、反射型球面収差補正素子４０に入射する。
反射型球面収差補正素子４０は、初期状態（図１に示す状態）で平坦な反射面４０Ａを後述するアクチュエータによって凸面状及び凹面状に湾曲させる機能を有している。

まず、光ディスクの読み取り面（集光面）がオン・フォーカスの場合、反射型球面収差補正素子４０は反射面４０Ａが平坦な初期形状をとっており、円偏光となった入射光はそのまま反射され、１／４波長板３０で直線偏光に変わってＰＢＳ２０の偏光膜で反射され、２群対物レンズ１０を通して図示しない光ディスクの情報記録面で集光される。
一方、光ディスクの読み取り面が光学設計上の位置より遠ざかった場合、反射型球面収差補正素子４０は、図２に示すように、反射面４０Ａを入射光に対して凸面状に変形させる。これにより、球面収差がない状態で光ディスクの情報記録面でフォーカスを結ぶように調整できる。
また、光ディスクの読み取り面が光学設計上の位置より近づいた場合、反射型球面収差補正素子４０は、図３に示すように、反射面４０Ａを凹面状に変形させる。これにより、光ディスクの情報記録面で球面収差を押さえた状態でフォーカスを結ぶように調整できる。

図６は本実施例の反射型球面収差補正素子４０の構成例を示す断面図である。
図示のように、この反射型球面収差補正素子４０は、シリコン基板４１上に絶縁膜４２を介して電極膜（第１の電極膜）４３、ピエゾ薄膜４４、電極膜（第２の電極膜）４５を積層した振動板を構成し、その上面に反射面を設けたものである。なお、各膜の厚さは、例えばシリコン基板４１が４．０μｍ、絶縁膜４２が１．３μｍ、電極膜４３が０．３μｍ、ピエゾ薄膜４４が１．０μｍ、電極膜４５が０．２μｍとする。
そして、振動板の面内に圧縮応力が発生する方向に電圧を印加し、ピエゾ薄膜４４の横歪み効果により、凹凸の反射面変形形状を得るようになっている。

このような反射型球面収差補正素子４０を用いることにより、例えば図４のグラフ（Ｙ（縦）軸は球面収差、Ｘ（横）軸はカバーガラスの厚み変動）に示すように、カバーガラス（ＣＧ）厚が±０．０２ｍｍ（２０μｍ）の範囲内で、球面収差ＷＦＥλｒｍｓ０．０２以下を満たすことができ、十分に光ディスクの２層膜の層間移動をカバーできることになる。
このグラフでは、カバーガラス（ＣＧ）厚が０．１ｍｍの場合に、光学条件を合わせた光学系を想定しており、折れ線Ｂに示す補正なしの場合は、わずかなＣＧ厚み変動でも収差が発生しているのに対し、折れ線Ａに示す補正ありの場合は、ＣＧ厚さ変動±０．０２ｍｍの範囲で十分に使用できるレベルまで収差補正が施されることがわかる。
また、収差を発生させる要因となるカバーガラス厚さの差、つまり光ディスクが２層膜の場合は、情報記録面までの距離の差を補正するのに必要な反射面の曲率（１／Ｒ）は、図５で示すグラフ（Ｙ軸は曲率、Ｘ軸はカバーガラスの厚み変動）で与えられる。
この曲率を得るために、どの程度の電圧が必要かシミュレーションを行ったところ、例えば直径φが４ｍｍ、厚みが４μｍのＳｉ基板４１上に厚さ合計約３μｍの絶縁膜４２、電極膜４３、４５、ピエゾ薄膜４４を積層した構造の素子の場合には、１Ｖの電圧を薄膜の厚み方向にかけることにより、中心部で約３．３μｍの変位が得られ、曲率０．００１６５(１／ｍｍ)の曲面となることが確認できた。

以下にシミュレーションの詳細を示す。
まず、計算に用いた膜構成は図６に示すものとし、それぞれの層の物理特性値を図７に示す。ピエゾ薄膜４４の上下面間に電圧をかけ、厚み方向の変位を取り出したものが図８のグラフ（Ｙ軸は変位、Ｘ軸はピエゾ薄膜の中心からの距離）である。ここでＸ＝０の点はピエゾ薄膜の中心点である。この結果より、電圧に応じて球面の曲率が変化していることがわかる。
そして、図８における変位量の計算結果から曲面の曲率を求め、電圧による変化をプロットしたものが図９のグラフ（Ｙ軸は曲率、Ｘ軸は電圧）である。なお、Ｘ軸上部に対応するＣＧ厚さを示した。
本例で計算した膜構成の場合、±０．０２ｍｍのＣＧ厚さ変化に対応するためには±１Ｖの電圧を印加すればよいことがわかる。

本実施例の反射型球面収差補正素子によれば、図１の光学系の構成からも分かるとおり、この補正素子は他の光学素子と同様に、光学ブロック上に配置されるため、光学調整がこれまでと光ピックアップと同様の手段で可能になっている。また、駆動用の電気信号も他の素子と同様、光学ブロック周辺部から簡単に与えることができる。また、２軸アクチュエータ上には２群レンズのみが搭載されるため、駆動部の大型化を防ぐことができ、高速アクセスに対応しやすいという利点もある。
なお、本実施例では円形の素子での計算結果を示したが、正方形の素子での計算でも同程度の変位量の球面が得られており、方形状の素子を用いることも可能である。
また、本発明は上述のような光ディスク装置の光ピックアップに限らず、球面収差補正が必要となる種々の光学機器における光学系の球面収差補正素子として利用することが可能である。

本発明の実施例による反射型球面収差補正素子を用いた光学系の素子配置を示す断面図である。 図１に示す反射型球面収差補正素子の反射面が凸面状に変形した際の光学系を示す断面図である。 図１に示す反射型球面収差補正素子の反射面が凹面状に変形した際の光学系を示す断面図である。 図１に示す反射型球面収差補正素子による補正効果を示す説明図である。 図１に示す反射型球面収差補正素子による反射面の曲率と情報記録面の距離差との関係を示す説明図である。 図１に示す反射型球面収差補正素子の層構造を示す断面図である。 図６に示す反射型球面収差補正素子の各層の物理特性値を示す説明図である。 図６に示す反射型球面収差補正素子のピエゾ薄膜に対する印加電圧と厚み方向の変位の実測値を示す説明図である。 図６に示す反射型球面収差補正素子のピエゾ薄膜に対する印加電圧と曲率との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０……２群対物レンズ、２０……偏光ビームスプリッタ、３０……１／４波長板、４０……反射型球面収差補正素子、４１……シリコン基板、４２……絶縁膜、４３、４５……電極膜、４４……ピエゾ薄膜。

Claims (5)

1. 光記録媒体に対向配置される対物レンズと、前記対物レンズをトラッキング方法及びフォーカス方向に駆動制御する駆動手段と、光源からの光ビームを前記対物レンズを通して光記録媒体に集光させる光学系と、前記光ビームに生じる球面収差を光学系内で補正する球面収差補正素子と、前記光記録媒体からの戻り光を光学系を通して受光する光検出器とを有し、
   前記球面収差補正素子は、前記光ビームの出射光路内で光学素子から導かれる光ビームを反射して前記光学素子に戻す反射面と、前記反射面の曲率を変化させて球面収差補正を行う圧電素子とを有する反射型球面収差補正素子である、
   ことを特徴とする光ピックアップ。
2. 前記反射型球面収差補正素子は、半導体基板上に絶縁層を介して第１の電極膜を配置し、前記第１の電極膜上にピエゾ薄膜を配置し、前記ピエゾ薄膜上に第２の電極膜を配置し、前記第２の電極膜上に反射面を設けたことを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ。
3. 前記光学素子は、光源からの光ビームを平行光ビームに変換するコリメータレンズと、前記平行光ビームを１／４波長板を通して前記反射型球面収差補正素子に導くとともに、前記反射型球面収差補正素子から反射した光ビームを１／４波長板を通して受光し、前記対物レンズに導く偏光ビームスプリッタとを有することを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ。
4. 光ビームの光路内で光学素子から導かれる光ビームを反射して光学素子に戻す反射面と、
   前記反射面の曲率を変化させて光ビームの球面収差補正を行う圧電素子と、
   である、
   を有することを特徴とする反射型球面収差補正素子。
5. 前記反射型球面収差補正素子は、半導体基板上に絶縁層を介して第１の電極膜を配置し、前記第１の電極膜上にピエゾ薄膜を配置し、前記ピエゾ薄膜上に第２の電極膜を配置し、前記第２の電極膜上に反射面を設けたことを特徴とする請求項４記載の反射型球面収差補正素子。

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