JP2007519148A - 対物レンズ - Google Patents

Abstract

本発明は、2層の光学情報キャリアに使用される対物レンズに関する。ブルーレイディスク(BD)で使用されるようなキャリアは、キャリア上面の下の深さD1にある第1情報層及び、D1よりも深い、深さD2で第2情報層を有する。本発明に従うと、深さD_optで走査するために最小球面収差を与えることで、第1情報層及び第2情報層を走査するとき、対物レンズは、実質的に同程度となる高次の球状波面収差を生成するように設計されている。D_optは、平均層深さD_av=((D1+D2)/2)と、深さ(D1+D_av)/2との間に位置する。より詳細には、最適深さD_optは、典型的には0.995D_av未満で、最も好適には0.99D_av未満である。

Description

本発明は対物レンズ、特に、それに限定されるわけではないが、2層光ディスクの読み取りに使用される対物レンズに関する。

2層光ディスクは、第1情報層上にある第1被覆層、及びこの下にある第2情報層上にある第2被覆層を有する。第1被覆層及び第2被覆層の厚さは、如何なる対物レンズを用いても、そのようなディスクの読み取り/書き出しにおいて、ある程度の球面収差を導入する。2層ブルーレイディスク(BD)、及びスモールフォームファクタ光(SFFO)読み取りでは、青色レーザー（波長405nm）及び高開口数対物レンズ(NA=0.85)の条件が採用され、これら2つの因子（短波長/高NA）は球面収差の問題を特に深刻にする。

従来技術において、球面収差補正を実現する好適方法は、ビームが入射する対物レンズの輻輳(vergence)を変化させることに頼っている。この輻輳変化は、対物レンズによって生成されるある程度の球面収差を引き起こす。よって適切な輻輳変化を選択することで、被覆層厚さの変化によるディスクでの最低次球面収差は、レンズで生成される付加的な収差によって補償（つまり、打ち消し）可能となる。

しかし、輻輳変化単独では、2層ディスクの構成において適切な球面収差補正を与えない。その理由は、2つの異なる実効的な厚さを含むという事実によるものである。上記に留意した上で、球面収差が最小となるように対物レンズを配置する妥協案が考えられる。なお、球面収差は、第1情報層及び第2情報層の走査を同じ条件で行えるように、均等に分布している。

最近の従来技術である特許文献1では、第1情報層及び第2情報層のちょうど中間の深さに位置する仮想（存在しない）層を走査するときに最適な性能となるように設計された対物レンズを提供するという妥協案が試みられていた。
欧州特許第756273明細書

本発明の好適実施例の目的は、2層ディスクにおける対物レンズ設計及び光学走査装置の態様を最適化するという視点に基づいて、対物レンズの設計パラメータを決定することである。

本発明の第1態様に従うと、少なくとも、ビームが入射するキャリアの表面から深さD1で第1の、すなわち上部情報層、及び深さD1よりも深いD2で第2の、すなわち下部情報層を有する多層光情報キャリアで使用される対物レンズが提供される。深さD_optで球面収差が最小になるように、当該対物レンズを設計することで、第1情報層及び第2情報層を走査するとき、対物レンズは、実質的に同程度の高次球状波面収差を生成するように最適化されている。深さD_optは、平均的層深さD_av=((D1+D2)/2)と、深さ(D1+D_av)/2との間に位置する。0.995D_av未満、好適には0.99D_av未満の深さD_optで球面収差が最小になるように当該対物レンズを設計することで、第1情報層及び第2情報層を走査するとき、対物レンズは、実質的に同程度の高次球状波面収差を生成ように最適化されているのが好ましい。

対物レンズは使用中、第2情報層を走査するときに放射光ビームが入射する面上で発散する一方で、第1情報層を走査するときに、放射光ビームが入射する面上で収束するように配置されているのが好ましい。

本発明はまた、多層光情報キャリアを光学的に走査し、第1態様の対物レンズを採用する光学装置をも含む。

対物レンズ及び走査装置の好適特徴は従属請求項で提示する。

本発明をよりよく理解するため、そして本発明の実施例がどのようにして効果を現すのかを示すため、添付の図を例として参照する。

本発明の実施例が適用可能な装置の一例として、光走査装置を図1に図示する。そのような光走査装置は、光ビーム102を生成するための光源101、コリメーションレンズ103、ビームスプリッタ104、サーボ制御の対物レンズ105、検出手段106、計測手段107及びコントローラ108を有する。この光走査装置は、2層情報キャリア110を走査することを意図している。光走査装置はさらに、情報キャリア110を受ける回転台及び支軸120を有する。

情報キャリア110は、情報キャリア110のビームが入射する面113に最近接の第1情報層111及び、ビームが入射する面113から離れた第2情報層112を有する。第1情報層111は第1被覆層C1で保護され、第1情報層及び第2情報層はお互いに第2被覆層C2によって隔離されている。

コリメーションレンズ103及び対物レンズ105の配置は2つの異なるモードを可能にする。第1モード（図1に図示されている）では、第2情報層112を走査するための対物レンズ105におけるビームが入射する面に、わずかに発散したビームを与えるため、コリメーションレンズ103は軸上に位置する。第2モード（図示されていない）では、第1情報層111を走査するための対物レンズ105におけるビームが入射する面に、わずかに収束したビームを与えるため、コリメーションレンズ103の軸上の位置を変化させる。

如何なる所与の走査動作中（それは書き込み動作、消去動作又は読み取り動作であっても良い）であっても、ビーム102は、第1モード又は第2モードのいずれかで動作するコリメーションレンズ103及び対物レンズ105によって変換され、変換されたビームによって情報キャリア110は走査される。情報キャリア110によって反射された放射光ビームは、ビームスプリッタ104を介して検出手段106に向かう。

検出手段106へ向かう放射光ビームから、キャリア110から読み取られる情報の内容に加えて、焦点エラー信号及び、追跡エラー信号を取得することができる。

焦点エラー信号の大きさは、情報層上の走査ビームにおける軸位置のエラーに対応する。この焦点エラー信号は、対物レンズ105の軸位置を補正するのに使用される。そのような補正は、信号をコントローラ108へ送信することで実現される。コントローラ108は、対物レンズ105を軸上で移動させるアクチュエータ（図示していない）を駆動する。

情報層上の集光スポットを保持するため、追跡エラー信号は、対物レンズ105の横方向の位置を補正するのに使用される。

コリメーションレンズ103は光源101及び対物レンズ105の間に設けられている光学素子である。すでに上述したように、第1走査モード（図1に図示されている）では、コリメーションレンズ103は放射光ビーム102を、対物レンズ105に到達する発散入射ビームに変換する。その一方で、第2モードでは、コリメーションレンズ103は、放射光ビーム102を、収束入射ビームに変換する。光源101が焦点に位置するようにコリメーションレンズ103が設置されているとき、コリメーションレンズ103は真のコリメータとして機能し、放射光ビーム102を、平行な入射ビームに変換する。第1モード用の発散入射ビームを得るため、コリメーションレンズ103は、真のコリメーション位置よりも光源101に近づくように移動する。第2モード用の発散入射ビームを得るため、コリメーションレンズ103は、真のコリメーション位置よりも光源101から離れるように移動する。コリメータ103の位置は、コントローラ108で制御されるアクチュエータによって制御される。コントローラ108は、対物レンズ105を動かすアクチュエータと、コリメータ103を動かすアクチュエータとを独立に制御することが可能な多目的コントローラである。走査モードに依存して、コントローラ108はコリメータ103の位置を制御する。

対物レンズ105が平行入射ビームを、情報キャリアの第1情報層と第2情報層との間に位置する、ある面上で集光させるとき、ビーム焦点の面内に球面収差が存在しないように、対物レンズ105は設計される。その結果として、第1情報層111が平行入射ビームによって走査される場合には、球面収差が発生するだろう。第1情報層111の走査中に共役距離を変化させる、つまり発散入射ビームを採用することによって、対物レンズ105は、ある程度の球面収差が発生するように配置することが可能である。これによって、第1情報層及び第2情報層との間の被覆層の厚さが変化することで発生する上述の球面収差は、実質的に補償される。

一般に、光記録で使用される対物レンズは実質的にアッベの正弦条件を満足する。像共役距離が変化するとき、そのようなレンズは、ある程度の球面収差W_conjを発生させる。像共役距離は距離変化に関係し、開口数にも関係する。被覆層の厚さ変化による、ディスクW_diskで導入される球面収差の程度もまた、厚さ及び開口数に関係する。物体共役距離を変化させることで、像共役距離もまた変化する。像共役距離の変化量を適切に選択することで、一の情報層から他の情報層へ切り替わるときに生じる付加的な球面収差は、共役距離の変化によって、物体内で発生する球面収差で補償することが可能である。

上記に従うと、共役像距離の変化によって発生する球面収差が、被覆層厚さの変化Δdによって生じる最低次の球面収差を打ち消すことが可能である。高次の球状波面収差はある程度残る。

上記から、事前の基準に従って、2層ディスク上の被覆層厚さを固定する一方で、所与のディスクパラメータに従って選択された共役物体距離を適切に変化させることで、そのような球面収差の最適化が実現可能であることは留意されるべきだろう。

物体共役変化の方向に依存して、NAは増加又は減少する。NAが増加するとき、系の許容度はより敏感になり、より高次の球面収差が増加する。ここで、一の方向での被覆層厚さ変化による、より低次の球面収差は、反対の方向での被覆層厚さ変化によるものよりも大きくなる。

図2Aから図2Cを参照すると、対物レンズ105及び、キャリア110の、ビームが入射する面から深さD1にある第1層111及び、ビームが入射する面から深さD2にある第2層112を有するディスク110が詳細に図示されている。

図2Aでは、対物レンズ105に入射する平行ビームが図示されている。対物レンズ105は、深さD_av（ここで、D_av=0.5(D1+D2)）での仮想層L_av 113に、平行入射ビームが入射するときの球面収差が最小に（好適には0）なるように最適化されているものとする。物体共役距離は無限大である。

ここで図2Bのレンズ設定を考察すると、深さD1での、最近接である第1情報層L1 111で集光させるため、対物レンズ105に入射するビームは、（平行よりはむしろ）わずかに収束しなくてはならない。この点では、像側でのビーム開口数は増加する。

ここで図2Cのレンズ設定を考察すると、深さD2での、最も離れている第2情報層L2 112で集光させるため、対物レンズ105に入射するビームは、発散しなくてはならない。この点では、像側でのビーム開口数は減少する。

対物レンズ及びディスクの組み合わせによって、深さD_optでの収差が0になるように、最適（仮想）層L_optを定義する。この仮想層L_optが、層L1と層L2のちょうど中間、つまりD_avにあると予想するのが妥当だと当業者は考えるだろう。しかし、発明者たちは驚くべきことに、そして直感に反して、最適層はL2よりもL1に近い位置にあることを発見した。

上記に留意すると、2層ディスクにおける2つの層のちょうど中間の位置に達する被覆層深さを有するディスクの球面収差が0になるように設計されている対物レンズは、従って直感に反して2層ディスクの読み取りの最適妥協案設計とはならないことは明白である。2層のうちの第1（上部）層から第2（下部）層へ移ることでNAは減少し、残留高次収差が小さくなる。一方、第2（下部）層から第1（上部）層へ移ることでNAは増加し、残留高次収差が大きくなる。

そこで上記に従うことで、高次収差はNAに対し、比例するよりも大きな値を取るので、最適な仮想層の深さは2層の中間の深さとは異なるものでなくてはならず、そして平均深さの一方の側に、最上部の情報層にわずかに近づくようにしなければならないことを発明者たちは発見した。なお、所与の2層ディスク読み取りの最良妥協案を提供するため、対物レンズは最適仮想層に最適化して設計される必要がある。

対物レンズの球面収差が0になるように設計されている被覆層深さに対応する被覆層厚さD_optは、2層ディスクの2層の情報層に対応する2層の被覆層厚さの平均D_avとは異なること、そして以下の関係を満足することが分かった。

より好適には以下を満足すべきである。

上記不等式から、D_optは、2層ディスクにおける2層の情報層の位置に対応する被覆層厚さの平均D_avとは異なることが理解できる。厚さはこの平均厚さよりもD_avの0.5%分だけ異ならなくてはならない。さらに好適には、厚さはこの平均厚さよりもD_avの1%より大きく異ならなくてはならない。

上記の驚くべき結果を図示する一組の例を以下に紹介する。
[例1]
第1実施例では、波長405nmでの光記録用対物レンズ305は、0.85の開口数NAを有する。入射瞳径EPは1.0mmである。レンズ305の前方終端部と情報キャリアのビームが入射する面との距離であるフリーワーキングディスタンス(FWD)は0.141mmである。

図3で図示された対物レンズ305は、球面上にダイアクリル（（株）三菱化成の登録商標）の薄い非球面層309を有する、（株）オハラのS-LAH66ガラス（商標）で作られた切頭ガラス球307で構成されている。ダイアクリル（（株）三菱化成の登録商標）の屈折率は1.5987で、S-LAH66（商標）の屈折率は1.7991である。切頭球の厚さは0.694mmで、半径は0.54mmである。光軸に沿ったこのダイアクリル（（株）三菱化成の登録商標）層の厚さは0.0165mmである。コリメーションレンズ（図示していない）に面するレンズ305表面の回転対称な非球面形状は、以下の式で表される。

ここで、z[mm]は光軸方向での表面位置、r[mm]は光軸との距離で、B_kはr^kの係数である。係数B₂からB₁₂までの値はそれぞれ、1.094507、0.64448149、0.064744348、2.3410448、-12.999302、-6.8309113である。ディスクの最適層の設計された厚さL_optは0.1mmである。ディスク310は、屈折率1.6223のポリカーボネートから作られる。

表1では、実質的に同程度の残留高次波面収差（光路差(OPD)の2乗平均）を生じさせることが分かっている被覆層Dが、2層ディスクの最適厚さ100μmよりも厚い場合と薄い場合の両方でどのような値を取るのかを表示している。また、NAの変化同様に、対応する共役物体距離Lも与えられている。

表1から、最適層の深さが100μmであるのに、D_avは100.7μmであることが分かる。よって、D_optは0.993D_avである。
[例2]
図4の、100μmの被覆層厚さで最適化されている、単一プラスチックSFFOレンズ405について考察する。

第2実施例では、波長405nmでの光記録用対物レンズ405は、0.85の開口数NAを有する。レンズ405の前方終端部と記録キャリア410のビームが入射する面との距離であるフリーワーキングディスタンス(FWD)は0.15mmである。

図4で図示されている対物レンズは、COC（環状オレフィン-コポリマー）からなる。COCの屈折率は1.5499である。光軸に沿ったレンズの厚さは0.915mmである。コリメーションレンズに面する表面407の回転対称な非球面形状は以下の式で表される。

ここで、z[mm]は光軸方向での表面位置、r[mm]は光軸との距離、r₀[mm]は規格化半径で、B_kはr^kの係数である。コリメータに面する表面の規格化半径は、r₀=0.5mmである。係数B₂からB₁₆までの値はそれぞれ、0.25、0.029450632、0.015158439、-0.30922007、1.356098、-2.5402456、2.2389527そして-0.7750968である。ディスク410に面する表面409は同じ式で与えられるが、ここでは、r₀=0.25mmである。係数B₂からB₁₆までの値はそれぞれ、-0.088581439、0.081735809、-0.063652986、0.0022340965、0.00054096427、-0.0033723519、0.0011206103そして-0.00012497701である。ディスクの最適層の設計された厚さL_optは0.1mmである。ディスクは、屈折率1.6223のポリカーボネートから作られる。

特性を表2に表示する。

表2から、最適層の深さが100μmであるのに、D_avは101.4μmであることが分かる。よって、D_optは0.986D_avである。

上で例示した結果は、2層ディスクの情報層間における所与の被覆層の厚さでは、深さD_optで最小の球面収差を与えるように最適化される対物レンズを選択することで最適レンズ設計が見いだされうることを示唆する。D_optは、上部情報層と下部情報層との間の平均距離に近い位置にあるが、この平均距離からは上部層よりにある。ブルーレイ型ディスク又は、同様の高NA系での読み取りに使用される対物レンズの設計に使用可能なD_optの値は、この平均近くの値と深さ(D1+D_av)/2の間にある。

本発明は、多層ディスクを採用する光記録システムにおいて使用可能で、球面収差の補正が必要となるが、2層ディスク単体に制限されない。しかし本発明は、BD及びSFFOで特別な利用可能性が見いだされる。特に、本発明はSFFO物体のような高開口数で小さい焦点距離を有する系で有意なものである。

たとえ対物レンズが単一素子として図示されているとしても、それを複数個から構成されたものにすることも可能である。さらに、レンズは回折格子又は位相構造を有して良い。

光記録光路を図示している。 2層ディスク、対物レンズ及び、“平均化された”深さで集光している光ビームを図示している。 2層ディスク、対物レンズ及び、深さD1で集光している光ビームを図示している。 2層ディスク、対物レンズ及び、深さD2で集光している光ビームを図示している。 本発明が適用可能な第1種類の対物レンズを図示している。 本発明が適用可能な第2種類の対物レンズを図示している。

Claims (10)

1. 多層光情報キャリアに使用される対物レンズであって、
   前記キャリアは少なくとも、前記キャリアのビームが入射する面から深さD1に位置する第1の上部情報層及び、深さD1よりも深いD2に位置する第2の下部情報層を有し、
   平均深さD_av=((D1+D2)/2)と深さ(D1+D_av)/2との間に位置する深さD_optで走査するときの球面収差を最小にするように設計することで、前記第1情報層及び前記第2情報層を読み取るときに生成される高次球状波面収差を実質的に同程度にするように最適化されている、
   ことを特徴とする対物レンズ。
2. 0.995D_av未満の深さD_optで走査するときの球面収差を最小にするように設計することで、前記第1情報層及び前記第2情報層を読み取るときに生成される高次球状波面収差を実質的に同程度にするように最適化されていることを特徴とする、請求項1に記載の対物レンズ。
3. 0.99D_av未満の深さD_optで走査するときの球面収差を最小にするように設計することで、前記第1情報層及び前記第2情報層を読み取るときに生成される高次球状波面収差を実質的に同程度にするように最適化されていることを特徴とする、請求項1に記載の対物レンズ。
4. 前記第1情報層を走査するときには光源からの放射光ビームは前記対物レンズへの入り口で収束する一方で、前記第2情報層を走査するときには前記放射光ビームは入り口で発散するように配置されていることを特徴とする、請求項1から3のうちのいずれか1つに記載の対物レンズ。
5. 多層光情報キャリアを光学的に走査するのに使用される光走査装置であって、
   前記キャリアは少なくとも、前記キャリアのビームが入射する面から深さD1に位置する第1の上部情報層及び、深さD1よりも深いD2に位置する第2の下部情報層を有し、
   前記装置の対物レンズは、平均深さD_av=((D1+D2)/2)と深さ(D1+D_av)/2との間に位置する深さD_optで走査するときの球面収差を最小にするように設計することで、前記第1情報層及び前記第2情報層を走査するときに生成される高次球状波面収差を実質的に同程度にするように最適化されている、
   ことを特徴とする光走査装置。
6. 0.995D_av未満の深さD_optで走査するときの球面収差を最小にするように設計することで、前記第1情報層及び前記第2情報層を読み取るときに生成される高次球状波面収差を実質的に同程度にするように最適化されていることを特徴とする、請求項5に記載の光走査装置。
7. 0.99D_av未満の深さD_optで走査するときの球面収差を最小にするように設計することで、前記第1情報層及び前記第2情報層を読み取るときに生成される高次球状波面収差を実質的に同程度にするように最適化されていることを特徴とする、請求項5に記載の光走査装置。
8. 光源；
   コリメーションレンズ；
   ビームスプリッタ；及び、
   コントローラ；
   を有し、
   前記光源は、前記コリメーションレンズを通過する光ビームを放出し、
   前記光ビームは前記対物レンズによって集光され、前記コントローラに制御される前記対物レンズに対する前記コリメーションレンズの位置に従って、第1情報層又は第2情報層へ選択的に入射し、
   前記情報層からの反射光は前記ビームスプリッタで受光され、光検出器へ伝送される、
   ことを特徴とする、請求項5から7のうちのいずれかに記載の装置。
9. 前記第1情報層を走査するときに、前記コリメーションレンズは、前記放射光ビームを前記対物レンズの入り口で収束するビームに変換するように配置され、その一方で、前記第2情報層を走査するときに、前記コリメーションレンズは、前記放射光ビームを前記対物レンズの入り口で発散ビームに変換するように配置される、
   ことを特徴とする、請求項8に記載の装置。
10. 前記多層情報キャリアはブルーレイ型ディスクであることを特徴とする、請求項1から4のうちのいずれかに記載の対物レンズ、又は請求項5から9のうちのいずれかに記載の光走査装置。

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