JP2005513701A - 光ディスク（ｄｖｄ）を走査するための対物レンズ - Google Patents

Abstract

DVD及びHD-DVDの光ディスクを走査する対物レンズであって、第１部と第２部とを有し、前記第１部が、第１表面及び反対側の第２表面を有するように形づくられ、前記第２部が、第３表面及び反対側の第４表面を有するように形づくられ、前記第１表面が、レンズの度の大部分を供給する凸形の表面であり、前記第３表面が、前記第１表面に合うように形づくられ、前記第４表面が、概ね非球面の表面であり、前記第２部が、合成樹脂材料で形成されており、前記第１部が、1.65と2との間の値を持つ屈折率n₁を持つ材料で形成されており、前記第１部のアッベ数V₁及び前記第２部のアッベ数V₀が、
【数１８】

という関係に従う対物レンズ。

Description

本発明は、光学素子及び光学走査装置に関し、詳細には、これに限られないが、様々なフォーマットの光記録担体の走査に関する。

一般的に、２つの異なる相対的に高密度のフォーマット、即ち、CDフォーマットより高密度のフォーマットから読み出すことが出来る光学走査装置及び該光学走査装置のための対物レンズを供給することが望ましいであろう。

青色半導体レーザ（波長λ=405nm）の導入により、（赤色レーザ、λ=660nmを用いる）従来のデジタル多用途ディスク(DVD)と比較して光ディスクにおける密度を更に増大させるための新しい選択肢が生まれる。１つの選択肢は、高密度DVD(HD-DVD)システムである。前記高密度DVDにおいては、波長は、660nmから405nmに縮小されているが、ディスクのカバー層の厚さは、DVDシステムのものと同じ、即ち0.6mmである。二層DVDは、容易には青色レーザを用いて読み出され得ない。これの理由は、二層DVDのための半反射層が、金、ケイ素及び炭化ケイ素で作成されることにある。650nmの場合は、両層の反射率は、〜30%である。405nmの場合は、金の吸収率(absorption)は、>50%になり、金の反射率は、<10%になる。

赤色レーザと青色レーザとの両方を含む光学走査装置を供給することが望ましいであろう。しかしながら、読み出しのために用いられている放射線の波長を変更することにより、スフェロクロマティズムのために、一般的に、対物レンズによって生成される球面収差の量が変化し、ディスクのカバー層によってもたらされる球面収差の量も変化する。

ODF2000会議の議事録の321乃至324ページのN. Muraoらによる論文"Objective lenses for red and blue lasers"は、DVD及びHD-DVDの互換使用のための３つのありうるレンズ、即ち、（１）ガラスのダブレットレンズ、（２）感光性樹脂のダブレットレンズ及び（３）回折光学素子について記載している。ガラスのダブレットレンズは、作成するのに高くつき、大量生産のための実際的な解決策ではない。回折光学素子の解決策は、効率において損失をもたらす。なぜなら、一般的に、DVD構成とHD-DVD構成との両方に対して設計回折次数において100%の効率を持つこのような素子を実現することは不可能であるからである。更に、この効率損失は、製造公差のために増大する。提案されているような感光性樹脂のダブレットレンズは、ディスクに面する側に付加的な感光性樹脂材料を備えるガラスモールド非球面レンズを含む。この解決策の不利な点は、最初に、非球面レンズを作成し、次いで、第２ステップとして感光性樹脂材料を付加しなければならず、レンズをより高価にすることにある。

不所望なコスト又は不所望な効率における損失を生じさせずに、DVD及びHD-DVDなどの２つの相対的に高密度のフォーマットに適合する対物レンズを供給することが望ましいであろう。

本発明によれば、第１部と第２部とを有する光学素子であって、前記第１部が、第１表面及び反対側の第２表面を有するように形づくられ、前記第２部が、第３表面及び反対側の第４表面を有するように形づくられ、前記第１表面が、レンズの度(lens power)の大部分を供給する凸形の表面であり、前記第３表面が、前記第１表面に合うように形づくられ、前記第４表面が、概ね非球面の表面であり、前記第２部が、合成樹脂材料で形成されており、前記第１部が、1.65と2との間の値を持つ屈折率n₁を持つ材料で形成されており、前記第１部のアッベ数V₁及び前記第２部のアッベ数V₀が、

という関係に従う光学素子が供給される。

本発明は、異なる波長の放射線を用いてDVD及びHD-DVDなどの様々な光記録担体フォーマットからデータを読み出すために用いられることが出来る対物レンズを供給する一方で、光記録担体におけるスフェロクロマティズムを補正することが出来る前記対物レンズのための材料の選択を供給する。屈折面しか含まれないことから、前記対物レンズは、回折光学素子の場合のような効率損失を被らない。更に、デュアルコンパチブルレンズを作成するのに必要とされるステップが相対的に少ないことから、コスト効率の良い解決策である。

対物レンズによって生成される球面収差の量がディスクのカバー層によって生成される球面収差の量を補償するようにするために、１つの材料で作成された単一の屈折素子の対物レンズを使用することは可能であり、更に、前記対物レンズはアッベの正弦条件も満たす。しかしながら、その場合には、レンズ材料の屈折率が2より大きいことを必要とするであろう。2より大きい屈折率を持つ材料は、高価である傾向にあり、低いアッベ数を持ち、斯くして、小さな波長変動に影響されやすい。

本発明の目的、利点及び特徴は、添付図面に図示されているような本発明の好ましい実施例の以下のより詳細な記載から明らかであろう。

図１は、本発明の一実施例による対物レンズOLを示している。非球面対物レンズOLは、ガラス体の凸面に合うように形づくられ、該凸面に接合される合成樹脂材料製の薄い非球面補正層を備える平面−球面ガラス体(plano-spherical glass body)Aから形成される。レンズは、米国特許公報第US-A-4623496号に記載されているものと同様の方法で製作され得る。米国特許公報第US-A-4623496号の内容は、参照により本明細書に盛り込まれる。

以下にレンズパラメータの設計を詳細に記載する。

レンズの波面収差の３次ザイデル分析(third order Seidel analysis)がなされ得る。前記樹脂に、屈折率n₀と、アッベ数V₀と、光軸上の厚さd₀と、曲率c₀（倍率K₀）と、前記層の球状からのずれを決定する４次係数Gとを持たせる。平面−球面ガラス体（ディスクに面している平坦な表面）は、屈折率n₁と、アッベ数V₁と、厚さd₁と、曲率c₁（倍率K₁）とを持つ一方、ディスクは、屈折率n₃と、アッベ数V₃と、厚さd₃とを持つ。自由作動距離(free working distance)、従って、レンズとディスクとの間の距離はd₂である。

非球面層は薄いことから、

という近似がなされ得る。

これらの近似値を用いると、球面収差S_Iに対する３次ザイデル項(third
order Seidel term)は、

となることが分かる一方で、コマ収差に対する前記項は、

によって与えられ、ここで、フォーカス関係は、

によって与えられる。

このレンズの解決策が、DVDの場合又はHD-DVDの場合のいずれに対しても球面収差を生じさせず、アッベの正弦条件に適合するためには、コマの項は、DVDの場合に対して零であるべきである。それ故、この解決策は、

S_I(660nm)=0

S_I(405nm)=0

S_II(660nm)=0
という条件を満たすべきである。

S_II(660nm)=0から、結果として、d₁>0を持つためには、屈折率n₁は、

という関係を満たすことになる。

d₃=0.6mm、n₃=1.58というディスク用の値を挿入し、K〜0.35mm^-1という典型的な値を用いると、n₁>1.65となることが分かる。

n₀= n₁且つV₀= V₁としながら、S_I(660nm)=0、S_I(405nm)=0及びS_II(660nm)=0を解く場合には、実際的な解決策ではないn₁>2.0となることが分かることに留意されたい。

以下は、本発明に従って非球面層とガラス体とが異なる特性を持つ場合に関する。660nmにおける屈折率と405nmにおける屈折率との間の実際の差とアッベ数との間には、

という近似関係が成り立つ。

上記の関係を用いると、S_I(660nm)=0、S_I(405nm)=0及びS_II(660nm)=0から、G及びd₁の消去後には、

というn₁の関係が分かる。ここでF=1/Kである。この式はもはやn₀を含まないことに注意されたい。d₃=0.6 mmを用い、典型的にはn₃=1.58及びV₃=30を用いる一方で、F〜3mmとして上記の式を解くと、1.65<n₁<2.0を持つためには、

となることが分かる。

これは３次計算(third order calculation)でしかないことから、この結果は第１推定(first estimation)でしかない。それ故、これらの結果を改善するために光線追跡が用いられ得る。DVDシステムに対して、F=2.75mmであり、システムの開口数がNA=0.65である場合を調べる。メリット関数の構築においては、DVDの構成とHD-DVDの構成との両方に対して0.5°のフィールド(field)及び軸における波面収差を用いた。表Ｉは、非球面層が（ジアクリル(Diacryl)）で作成され、ディスクが（ポリカーボネート）で作成される一実施例における材料の特性を示している。

表ＩＩは、一覧表示されている４つの異なる例示的なガラスタイプにおいて対物レンズを規定するパラメータを示しているのに対して、表ＩＩＩは、４つの例に対して対応する波面収差を示している。

回転対称形状は、ミリメートル単位の光軸の方向における表面の位置であるzと、ミリメートル単位の光軸までの距離であるrと、rをk乗したものの係数であるB_kとを用いる式

で書き表され得る。４つの全ての場合の対物レンズの放射線源に面する表面のためのB₄乃至B₁₄の値が、表ＩＩにおいて表にされている。

光線追跡の結果から、DVD(660nm)の読み出し／書き込み及びHD-DVD(405nm)の読み出し／書き込みに適した平面−非球面のガラスレプリカレンズは、好ましくは、
n₁>1.65

9.96≦6.99 n₁- d₁≦10.32 （d₁はミリメートル単位で表されている）
という関係に従うべきであることが導き出された。

より高次の項のために、これらの結果は、３次分析から得られる結果からわずかにずれる。

ここで、図２を参照する。第１の特定の実施例におけるDVDの場合とHD-DVDの場合とを含む本発明の実施例によれば、図示されているような光ピックアップユニット(OPU)によって光ディスクの様々なフォーマットが書き込み及び／又は読み出しをされ得る。OPUの光学部品は、成形アルミニウム又はそういったもので形成される剛体のハウジング内に収容される。OPUは、ディスクの走査中にディスクの半径方向に配設されたリニアベアリングに沿ってOPUが移動するように、光記録及び／又は再生装置中に配設される。走査されるべき各ディスクは、再生及び／又は記録装置中の電動回転ベアリング上に取り付けられるOPUと隣接する平面走査領域中に配置され、それによって、ディスクは再生及び／又は書き込み中にOPUに対して動かされる。

装置によって走査されるべきディスクの様々なフォーマットの各々は、少なくとも１つの情報層を含む。情報は、実質的に平行な同心又は螺旋状のトラック中に配設される光学的に検出可能なマークの形態で光ディスクの１つ以上の情報層の中に記憶され得る。マークは、任意の光学的に読み取り可能な形態、例えば、ピットの形態又は当該領域の周囲と異なる反射係数を持つ領域の形態であり得る。

OPUは、２つの異なる波長、この実施例においては、（本明細書では「赤色波長」と呼ばれる）ほぼ650nmの波長及び（本明細書では「青色波長」と呼ばれる）ほぼ405nmの波長の放射線でディスクを走査するために２つの光学分岐(optical branch)を含む。しかしながら、本発明の異なる実施例による光学走査装置は、他の波長及び３つ以上の波長で動作し得ることは分かるであろう。

第１光学分岐は、所定の波長、この例においては第１ビーム４を生成するための波長で動作する偏光放射線源２、例えば半導体レーザを含む。第１分岐は、戻りビームを検出システム８の方に反射する偏光ビームスプリッタ６と、より平行化されたビームを生成するコリメータレンズ１０とを更に含む。

ダイクロイックビームスプリッタ１２は、第１ビーム４を光ディスクODの方に反射する。赤色波長と青色波長との両方において作用する４分の１波長板１４、光軸から所定の半径方向距離外側の領域において赤色波長の放射線を反射するよう作用するダイクロイック開口部、及び本発明によるデュアルビーム対物レンズOLは、装置の２つの放射ビームによって共用されるビームスプリッタ１２と光ディスクODとの間の光路部中に位置する。デュアルビーム対物レンズは、限られた球面収差で、平行化された赤色波長ビームを赤色波長で動作する二層DVDディスクなどのディスク中の情報層においてスポットになるように適正に集束させ、平行化された青色波長ビームを青色波長で動作するHD-DVDディスクなどのディスク中の情報層においてスポットになるように適正に集束させるために適応される。

第１ビームは、４分の１波長板１４によって直線偏光から円偏光に偏光を変えられ、対物レンズOLによってディスクODにおいてスポットになるように集束される。反射されたビームは、４分の１波長板１４によって入射ビームに対して垂直な直線偏光を呈するビームに変換し戻される帰路をたどり、ビームスプリッタ６によって検出システム８中に配設されたフォトダイオード検出器アレイの方に反射される。検出システム８において、データ信号、フォーカス誤差信号及びトラッキング誤差信号が検出される。対物レンズOLは、光ディスクOD上のスポットの集束状態を維持するためにフォーカス誤差信号から導き出されるサーボ信号によって駆動され、現在読み出されているディスクOD上のトラックとの整合を維持するためにトラッキング誤差信号から導き出されるサーボ信号によって駆動される。

この実施例における第２光学分岐は、第１ビームの波長とは異なる所定の波長、この例においては第２ビーム１８を生成するための青色波長で動作する偏光放射線源１６、例えば半導体レーザを含む。第２ビームの光路は、検出器アレイシステム２２におけるフォーカス及びラジアルトラッキング誤差信号生成のために戻りビームの向きを変更する偏光ビームスプリッタ２０と、第２ビームを実質的に平行化するコリメータレンズ２４とを含む。第２ビームは、ダイクロイックミラー１２によって実質的に完全に透過され、４分の１波長板１４によって直線偏光から円偏光に偏光を変えられ、ディスクOD中の情報層においてスポットになるように集束される。反射されたビームは、４分の１波長板１４によって入射ビームに対して垂直な直線偏光を呈するビームに変換し戻される帰路をたどり、ビームスプリッタ２０によって検出システム２２中に配設されたフォトダイオード検出器アレイの方に反射される。検出システム２２において、データ信号並びにトラッキング誤差信号及びフォーカス誤差信号が検出される。対物レンズOLは、光ディスクOD及び検出器アレイ上のスポットの集束状態を維持するためにフォーカス誤差信号から導き出されるサーボ信号によって駆動され、現在走査されているトラックとの整合を維持するためにトラッキング誤差信号から導き出されるサーボ信号によって駆動される。

赤色波長と青色波長との両方の場合に用いられるような対物レンズOLの開口数(NA)は、0.5より大きく、より好ましくは0.55より大きい。或る実施例においては、0.6というNAが用いられる。異なる実施例においては、0.65というNAが用いられる。

上記の実施例は、本発明の説明例として理解されるべきである。本発明の他の実施例も考えられる。或る実施例に関連して記載されている如何なる特徴も、他の実施例において用いられ得ると理解されるべきである。更に、添付されている特許請求の範囲において規定される本発明の範囲から外れずに上記にはない同等物及び変形例も用いられ得る。

本発明の実施例による対物レンズの概略的な断面図を示す。 本発明の実施例による光学走査装置の概略的な断面図を示す。

Claims (8)

1. 第１部と第２部とを有する光学素子であって、前記第１部が、第１表面及び反対側の第２表面を有するように形づくられ、前記第２部が、第３表面及び反対側の第４表面を有するように形づくられ、前記第１表面が、レンズの度の大部分を供給する凸形の表面であり、前記第３表面が、前記第１表面に合うように形づくられ、前記第４表面が、概ね非球面の表面であり、前記第２部が、合成樹脂材料で形成されており、前記第１部が、1.65と2との間の値を持つ屈折率n₁を持つ材料で形成されており、前記第１部のアッベ数V₁及び前記第２部のアッベ数V₀が、
   

   

   という関係に従う光学素子。
2. 前記第１部が平面−凸面部であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１表面が概ね球状の表面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記第１部がガラス材料で形成されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の光学素子。
5. 前記第１部の前記屈折率n₁及び前記アッベ数V₁並びに前記第２部のアッベ数V₀が、
   

   

   という関係に従うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 前記第１部の前記屈折率n₁及び厚さd₁が、9.96≦6.99 n₁- d₁≦10.32という関係に従い、ここでd₁はミリメートル単位で表されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子を有する光学走査装置。
8. 前記素子が0.5より大きい開口数を持つレンズであることを特徴とする請求項７に記載の光学走査装置。
   
   

Images