JP2005535067A - 単独材料で形成された対物レンズ系を含むスキャン装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光記録担体をスキャンするための光スキャン装置と、かかるスキャン装置内の対物レンズとしての使用に適した(ただしこれに限定はされない)レンズ系と、かかる装置およびかかるレンズ系の製造方法とに関するものである。
光記録においては、光記録担体と、その光記録担体のスキャン(たとえば、光記録担体への書込みおよび/または光記録担体からの読出し)に使用される装置との、双方の小型化への流れが、ますます強まっている。光記録担体の例には、CD(コンパクトディスク)やDVD(digital versatile disc)が含まれる。
情報記憶容量を減らすことなく光記録担体を小型化するためには、担体上の情報密度を増大させなくてはならない。かかる情報密度の増大は、情報をスキャンするための放射スポットをより小さくすることと共に行われなくてはならない。かかるより小さなスポットは、スキャン装置内において放射ビームを記録担体上に合焦させるために用いられる、対物レンズ系の開口数(NA)を増大させることにより実現され得る。そのため、高い開口数(たとえばNA=0.85)を有するレンズを用いることが望ましい。
従来の高NA対物レンズは、対物レンズを構成する要素同士のアラインメントを取る追加の組立工程を導入するという手間をかけてでも、製造許容誤差を緩和するために、2つの要素からなっている。
M.Itonaga、F.Ito、K.Matsuzaki、S.Chaen、K.Oishi、T.UenoおよびA.Nishizawaによる日本の記事「Single Objective Lens Having Numerical Aperture 0.85 for a High Density Optical Disk System(開口数0.85を有する高密度光ディスクシステム用対物単レンズ)」、Japanese Journal of Applied Physics、第41巻(2002)、第1798−1803頁、パート1、第3B号、2002年3月には、2つの非球面を有し、比較的高い0.85のNAを有する、対物単レンズが記載されている。このレンズは、ガラスから作られている。レンズ径は4.5mmであり、このレンズは、3.886mmの開口径を有している。この対物単レンズは、2要素型の対物レンズが要するようなアラインメント取りの組立工程を必要としない。NAの値が高いため、この対物レンズは、製造過程におけるばらつき、すなわち製造許容誤差の影響をより受けやすくなる。したがって、これらの高NA対物レンズに関しては、より低い開口数を有する対物レンズの場合に比して、製造許容誤差が、設計過程中において一層重要な役割を担う。
スキャン装置のサイズを小さくするためには、スキャン装置内の構成要素(対物レンズ等)を、可能な限り小さくすることが望ましい。
しかしながら、レンズ設計は光記録媒体の特性に依存するので、大きなレンズ設計を単に縮小してより小さなレンズを作製することは不可能である。たとえば、レンズ設計は、典型的には光記録担体の情報層を覆い、スキャン用の放射ビームが必ず通過しなくてはならない、透明層の特性に依存する。縮小過程では、ディスクの被覆層の厚さはそのままとされる(同一の記録担体が、通常サイズの対物レンズと、小さなサイズの対物レンズとの両方に使用される可能性が高い)。したがって、その光記録媒体のスキャンに適した小さなサイズの対物レンズの設計は、通常サイズの対物レンズの設計とは実質的に異なることとなる。
また、レンズがより小さくされても、高NA対物レンズは、製造過程におけるばらつき、すなわち製造許容誤差の影響を受けやすいままである点も理解されよう。
図1Aは、2つの非球面181、182を有する、厚さt(光軸19に沿った厚さ)の対物レンズ18の一例を示した図である。後に続く図1B、1C、および1Dは、それぞれ、2つの非球面の厚さ、偏心、および傾斜(チルト)のばらつきによって、レンズ形状がどのように変化するかを示した図である(各例において、表面181のもとの位置が点線で示されている)。これらの図では、表面181のみが、製造過程におけるばらつきによる影響を受けているものと仮定されている。しかしながら、実際の事例では、2つの表面の任意の一方または双方が影響を受け得るものであり、かつ、いずれの表面も、これらのずれの2種類以上による影響を同時に受け得ることが理解されよう。
図1Bは、非球面間の間隔が所望の間隔よりも大きくなってしまったことに起因して、レンズの厚さが、所望の厚さtよりも大きくなった状態を示している。しかしながら、実際には、2つの非球面が、所望の間隔よりも近い間隔となることもあり得る点が理解されよう。
図1Cは、偏心、すなわちこの例では、表面181が、所望の光軸19に対する理想位置に対して垂直方向にずれて形成された様子を示している。
図1Dは、表面181が傾斜させられた、すなわち主軸に沿った所望の回転対称な位置に対して回転させられた様子を示している。
本発明の実施形態の1つの目的は、単独材料で形成された対物レンズであって、適度な製造許容誤差に耐え得る対物レンズを提供することである。
光スキャン装置では、スキャン装置内における対物レンズの不精確なアラインメントのため、スキャン装置に対する記録担体位置のふらつきのため、または、使用されている放射ビームが光軸に沿って伝播しないために、放射ビームが、対物レンズに斜めに入射するかもしれない。たとえば、記録担体上におけるスキャン用放射スポットの位置決めに関する情報を提供するために、典型的にはかかる軸外し(オフアクシス)ビームが使用される。
そのようなビームの斜め入射は、波面収差をもたらす。典型的には、回折限界の系とするためには、光スキャン装置全体に関するスキャンビームの波面収差について、光路差の自乗平均の平方根(OPDrms)にして合計約0.07λ(λは、関連放射ビームの波長)の許容誤差が許される。OPDrmsをmλで表すことが便利な場合もある(0.001λ=1mλ)。レンズ系のフィールドとは、斜めビームが15mλ未満のOPDrmsを産する領域である。レンズ系の視野は、フィールドの2倍である。
本発明の実施形態の1つの目的は、単独材料で形成された小さなサイズの高NA対物レンズであって、レンズに対するビームの斜め入射を許容し、かつ製造誤差を許容する対物レンズを提供することである。
第1の側面において、本発明は、光記録担体の、厚さtdおよび屈折率ndを有する透明層により覆われた情報層をスキャンするための、放射ビームを発生させる放射源と、上記の情報層上に放射ビームを集光させる対物レンズ系とを備えた光スキャン装置であって、その対物レンズ系が単独材料で形成されたレンズを含んでおり、そのレンズが、レンズの厚さをt、レンズと担体との間の自由作動距離をFWDとし、t、td、およびFWDをミリメートルで表すこととして、
との条件を満たすものであり、かつ、FWD+td/nd<0.51であることを特徴とする光スキャン装置を提供する。
このような制約条件を満たすようにレンズを設計することにより、結果として得られるレンズは、ビームの斜め入射および製造誤差を許容するものとなる。
別の側面において、本発明は、光記録担体の、厚さtdおよび屈折率ndを有する透明層により覆われた情報層上に放射ビームを集光させるための、少なくとも1つのレンズを含むレンズ系であって、そのレンズ系が単独材料で形成されたレンズを含んでおり、そのレンズが、レンズの厚さをt、レンズと担体との間の自由作動距離をFWDとし、t、td、およびFWDをミリメートルで表すこととして、
との条件を満たすものであり、かつ、FWD+td/nd<0.51であることを特徴とするレンズ系を提供する。
さらに別の側面において、本発明は、光記録担体の、厚さtdおよび屈折率ndを有する透明層により覆われた情報層上に放射ビームを集光させるための、少なくとも1つのレンズを含むレンズ系の製造方法であって、単独材料のレンズを形成する工程を含み、そのレンズが、レンズの厚さをt、レンズと担体との間の自由作動距離をFWDとし、t、td、およびFWDをミリメートルで表すこととして、
との条件を満たすものであり、かつ、FWD+td/nd<0.51であることを特徴とする製造方法を提供する。
別の側面において、本発明は、光記録担体の、厚さtdおよび屈折率ndを有する透明層により覆われた情報層をスキャンするための光スキャン装置の製造方法であって、放射ビームを発生させる放射源を提供する工程と、上記の情報層上に放射ビームを集光させるレンズ系を提供する工程とを含み、そのレンズ系が単独材料で形成されたレンズを含んでおり、そのレンズが、レンズの厚さをt、レンズと担体との間の自由作動距離をFWDとし、t、td、およびFWDをミリメートルで表すこととして、
との条件を満たすものであり、かつ、FWD+td/nd<0.51であることを特徴とする製造方法を提供する。
本発明の他の側面は、従属請求項から明らかである。
本発明をよりよく理解させ、本発明の実施形態がどのように実施され得るかを示すために、以下、例として、図面を参照して説明を行う。
図2は、本発明の1つの実施形態に係る対物レンズ18を含む、光記録担体2をスキャンするための装置1を示した図である。記録担体は、片側に情報層4が配された透明層3を含んでいる。情報層の、透明層と反対側に面した面は、保護層5によって、周辺環境の影響から保護されている。透明層の、装置側に面した面は、入射面6と呼ばれる。透明層3は、情報層に対する物理的な支持を与えることにより、記録担体の基板としての働きをする。
あるいは、透明層を、情報層を保護するという単独の機能のみを有するものとし、物理的な支持は、情報層の反対側にある層、たとえば、保護層5によって、または情報層4に結合させられたさらに別の情報層および透明層によって与えることとしてもよい。情報は、実質的に平行な同心円状または螺旋状のトラック内に配された、光検出可能なマーク(図示せず)の形態で、記録担体の情報層4に記憶され得る。マークは、光読出可能ないかなる形態のものであってもよく、たとえば、ピットの形態、周囲と異なる反射係数もしくは磁化方向を有する領域の形態、またはこれらの形態の組合せであってもよい。
スキャン装置1は、放射ビーム12を発することのできる放射源11を備えている。放射源は、半導体レーザーであってもよい。ビームスプリッタ13は、発散する放射ビーム12をコリメータレンズ14に向けて反射し、コリメータレンズ14は、発散ビーム12をコリメートされたビーム15に変換する。コリメートされたビーム15は、対物レンズ系18に入射する。
対物レンズ系は、1つまたは複数のレンズおよび/または格子を含んでいてもよい。対物レンズ系18は、光軸19を有している。対物レンズ系18は、ビーム15を、記録担体2の入射面6に入射する集束ビーム20に変換する。この対物レンズ系は、放射ビームの透明層3の厚さ分の通過に適合化された、球面収差補正を有する。集束ビーム20は、情報層4上にスポット21を形成する。情報層4により反射された放射は、発散ビーム22を形成し、その後、発散ビーム22は、対物レンズ系18によって実質的にコリメートされたビーム23に変換され、コリメータレンズ14によって実質的に集束ビーム24に変換される。ビームスプリッタ13は、集束ビーム24の少なくとも一部を検出系25に向かって透過させることにより、行き方向のビームと反射ビームとを分離する。検出系は、放射を捉えて、電気出力信号26に変換する。信号処理器27は、これらの出力信号を、他の様々な信号に変換する。
かかる信号の1つが情報信号28であって、この情報信号28の値は、情報層4から読み出された情報を表す。情報信号は、エラー補正のための情報処理ユニット29によって処理される。信号処理器27からの他の信号としては、焦点誤差信号および半径方向誤差信号30がある。焦点誤差信号は、スポット21と情報層4との間の、軸方向の高さの差を表す。半径方向誤差信号は、情報層4の平面内における、スポット21と、そのスポットにより辿られるべき情報層のトラック中心との間の距離を表す。
焦点誤差信号および半径方向誤差信号は、サーボ回路31に供給される。サーボ回路31は、これらの信号を、それぞれ焦点アクチュエータおよび半径方向アクチュエータを制御するためのサーボ制御信号32に変換する。これらのアクチュエータは、図中には示されていない。焦点アクチュエータは、対物レンズ系18の焦点方向33の位置を制御し、それにより、スポット21の実際の位置を、情報層4の平面と実質的に一致するように制御する。半径方向アクチュエータは、対物レンズ系18の半径方向34の位置を制御し、それにより、スポット21の半径方向の位置を、情報層4内で辿られるべきトラックの中心線と実質的に一致するように制御する。図中では、トラックは図の紙面に垂直な方向に走っている。
図2の装置はまた、上記の記録担体2よりも厚い透明層を有する、第2のタイプの記録担体をスキャンするように適合化されてもよい。かかる第2のタイプの記録担体のスキャンには、装置は、放射ビーム12を用いてもよいし、異なる波長を有する放射ビームを用いてもよい。この放射ビームのNAは、記録担体のタイプに合わせて適合化されてもよい。それに応じて、対物レンズ系の球面収差の補償も適合化されなくてはならない。
適度な製造許容誤差で作製され得る小さな対物レンズを提供するために、本発明の発明者は、ガラス等の単独材料で形成された対物レンズを提案する。かかるレンズは、ガラス成形処理を用いて作ることが可能である。好ましくは、この単独材料は比較的高い屈折率を有するものとされ、レンズは少なくとも1つの非球面を有するように形成された単レンズとされる。
本発明の発明者は、0.65より大きな開口数(NA)と、2つの非球面のフィールド、厚さの違い、偏心および傾斜を許容する2mm未満の入射瞳径とを有する、ガラス成形された対物レンズを提供できるようにするためには、対物レンズの厚さt(光軸に沿ったレンズの厚さ)が、
との関係に従うことが望ましいことを見出した。ここで、FWDは自由作動距離であり、tdは記録担体の情報層を覆う透明層3の厚さであり、ndはこの透明層の屈折率である。関連する厚さおよび距離の寸法(すなわちt、FWDおよびtd)は、ミリメートルで計測されているものとする。
自由作動距離は、光軸に沿って計測された、記録担体に接触するまでにレンズが移動可能な距離、すなわち、記録担体に面した側のレンズ表面から透明層3の表面までの距離に対応する。
さらに、対物レンズの第2の表面(すなわち記録担体に面した側のレンズ表面)の規格化光学パワーP(そのレンズ表面の光学パワーを、レンズ系の合計の光学パワーで割った値)が、
との関係に従うことが好ましく、
との関係に従うことが一層好ましい。発明者の実験では、最適な光学パワーは、P=−0.025であることが見出された。
Pに関する上記の関係は、レンズのパワーの大部分がレンズの第1の表面(すなわち、使用時において放射源に面する側の表面)に由来するものであり、第2の表面により生み出されるレンズのパワーは、もしあるとしても極めて小さいことを示すものであるので、これらの関係は、とりわけ直感に反するものであることが理解されよう。P=−0.025の最適パワーは、かかるレンズ設計が、ほぼ平坦な第2の表面を有するものであることを示している。
スキャン装置内で使用される際には、上記のレンズは、異なる種々の放射波長と組み合わせて使用されるかもしれない(データの書込みと読出しとに、異なる波長が使用されてもよい)。あるいは、放射源(たとえばレーザー)の波長は、放射ビームのパワーの関数として変化してもよい(情報記録媒体からのデータの読出しと情報記録媒体へのデータの書込みとに、異なるパワーが使用されてもよい)。レンズがかかる波長のばらつきを許容するためには、レンズ材料(たとえばガラス)のアッベ数が、40よりも大きいことが好ましい。
表1は、本発明の実施形態に係る、4種類の具体的なレンズ設計の詳細を示している。表1に示された4種類を含む様々な設計の平均性能が、上記の好ましい設計上の関係の導出に用いられた図3、4、および5に示されている。
各レンズの前面および後面は、いずれも式
で与えられる回転対称な非球面形状を有している。ここで、zは光軸方向の表面位置(ミリメートル単位)であり、rは光軸までの距離(ミリメートル単位)であり、Bkはrのk乗に係る係数である。4種類の例示的なレンズ設計についてのBkの値が、表1に一覧表示されている。表1では、第1非球面が、放射源に面した側のレンズ表面であると想定されている。第2非球面の規格化光学パワーPの計算には、以下の式が用いられる。
ここで、B2は第2の表面の第1非球面係数であり、nは対物レンズの屈折率であり、φは対物レンズの入射瞳径であり、NAは開口数である。
例1、2、3および4は、式(1)および(2)の条件を満たす。さらに、例2および3は、式(3)の条件を満たし、例3は、式(4)の条件も満たす。また、例2および3は、式(5)および(6)の条件を満たす。
図3は、表1に示された設計を含む様々な対物レンズ設計について、0.1°のフィールドのレンズへの放射ビームの斜め入射に起因する波面収差、および、1μmの厚さの違い(実際のレンズの、所望の厚さtからのずれ)、10μmの偏心非球面、ならびに0.01°の傾斜非球面を有するレンズに伴う波面収差を、対物レンズの屈折率の関数として示した図である。フィールド、厚さ、偏心、および傾斜からの寄与のそれぞれから来る波面収差(WFA)の、個々の自乗平均の平方根が示されており、さらに、RMS(自乗平均の平方根)合計波面収差が示されている。
同様に、図4は、上記と同じ様々な対物レンズ設計について、0.1°のフィールド、1μmの厚さの違い、10μmの偏心非球面、および0.01°の傾斜非球面に起因する、自乗平均の平方根(RMS)形式の波面収差を、対物レンズの第2の表面(記録媒体に面した側のレンズ面)の規格化パワーの関数として示した図である。
図3と図4のいずれにおいても、各レンズは、0.85の開口数と、1.0mmの入射瞳径とを有する。放射ビームはλ=405nmの波長を有しており、厚さが0.1mmで屈折率が1.6223の被覆層(透明層3)を有する記録担体と共に、0.15mmの自由作動距離(FWD)が用いられている。
図5は、様々なレンズ設計の平均について、対物レンズの最適な厚さと、最適な屈折率とを、自由作動距離(FWD)の関数として示した図である。このデータは、レンズの各々が、0.85の開口数と、1.0mmの入射瞳径とを有することを前提としている。波長λ=405nmの放射ビームが、0.1mmの被覆層厚さと、1.6223の屈折率とを有する記録媒体(たとえばディスク)と共に使用された。
図3は、屈折率nが増大するにつれて、フィールドおよび傾斜の許容誤差は増え、厚さの許容誤差は減ることを示している。偏心の許容誤差は、
付近で最適値(すなわち最小値)を示す。図示された4つの許容誤差すべてを統合すると、式(3)に示された関係、またはより好ましくは式(4)に示された関係が成り立つときに、最適なレンズ設計が見出されることが分かる。
図4は、第2の表面の規格化パワーが増大すると、ディスクのフィールドおよび傾斜の許容誤差は減り(すなわちWFAが増え)、厚さの許容誤差は増えることを示している。偏心の許容誤差は、−0.025の規格化パワー(P)付近で最適値を示す。これらすべての許容誤差を統合すると、式(5)、またはより好ましくは式(6)が成り立つときに、最適なレンズ設計が見出されることが分かる。
図5は、対物レンズの最適な厚さtおよび最適な屈折率nは、いずれも、自由作動距離(FWD)が増大するにつれて減少することを示している。図5に図示された点のフィッティングを行うと、最適な屈折率(nopt)は、FWDをミリメートルで表すこととすると、
により与えられ、FWDの関数としての最適な厚さtは、tおよびFWDをミリメートルで表すこととすると、
により与えられることが分かる。
拡大縮小関係を考慮に入れたこれらの具体的な結果より、式(1)、(2)、(3)および(4)に示された最適なレンズ設計パラメータを推測することが可能となった。
様々なレンズ系について、本発明の種々の実施形態が適用可能であることが理解されよう。好ましくは、本発明の実施形態は、0.7よりも大きな開口数を有するレンズ系について使用される。好ましくは、本発明の実施形態に係るレンズ系は、2mm未満の入射瞳径を有し、さらに好ましくは1.5mm未満の入射瞳径を有する。好ましくは、本発明の実施形態は、約405nmの波長を有するビームを含む、600nm未満の波長を有する放射ビームと共に使用される。
上記の実施形態は、ガラスのみから形成された(かつ通常はガラス成形処理によって形成された)レンズと共に説明されてきたが、本発明のパラメータは、たとえばプラスチックレンズ(たとえばプラスチック成形処理によって形成されたレンズ)等、いかなる単独材料で形成されたレンズ設計にも適していることが理解されよう。適当なプラスチックとしては、COC(シクロオレフィン共重合体)やポリカーボネートが含まれる。
上記の例から、本発明の実施形態を用いて、適度な製造許容誤差に耐え得る、単独材料で形成された対物レンズを提供することができる旨が理解されよう。さらに、本発明の実施形態は、レンズに対するビームの斜め入射も許容する。
Claims (15)
- 前記レンズの前記材料のアッベ数が、40より大きいことを特徴とする請求項1記載の光スキャン装置。
- 前記情報層から来る放射を情報信号に変換する検出系と、該情報信号のエラー補正のための情報処理ユニットとをさらに備えていることを特徴とする請求項1記載の光スキャン装置。
- 前記単独材料がガラスであることを特徴とする請求項10記載のレンズ系。
- 前記単独材料がプラスチックであることを特徴とする請求項10記載のレンズ系。
- 前記レンズの形成に、ガラス成形処理が用いられることを特徴とする請求項13記載の製造方法。
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