JP2011096352A - 光情報記録再生光学系及び光情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】青色レーザ光を使用する光情報記録再生用光学系において、反射防止膜が設けられた光学素子の光学面に発生する微細な形状変化を防止する。
【解決手段】樹脂製の光学素子及び対物レンズを有する光情報記録再生用光学系が提供される。光学素子及び対物レンズの基材に高温耐久性の高い材料を用いて、かつ前記光学素子及び対物レンズの光学面に設けられる反射防止膜は、光触媒作用を有する化合物を与える元素を含まない材料のみから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の規格の光ディスクの情報記録層にレーザ光束を照射して情報の記録及び／又は再生を行うための光情報記録再生光学系に関連し、特にＢＤ（Blu-ray Disc）等の高記録密度光ディスクに対する情報の記録及び／又は再生に適した光情報記録再生光学系に関する。また、本発明は上記の光情報記録再生光学系を搭載した光情報記録再生装置に関する。

光ディスクには、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）といった記録密度や保護層の厚みが異なる複数の規格が存在する。また、近年では、情報記録のさらなる高容量化を実現した、ＤＶＤよりも記録密度が一層高い高記録密度光ディスクが実用化されている。そのような高記録密度光ディスクとして、例えばＢＤが一般に普及している。ここで、光ディスクの情報記録層にレーザ光束を照射して情報の記録及び／又は再生を行う装置を光情報記録再生装置という。なお、本明細書において、「光情報記録再生装置」とは、「情報の記録専用装置」、「情報の再生専用装置」、「情報の記録および再生兼用装置」の全てを含む。「光情報記録再生光学系」についても同様である。なお、以下の説明において、「光情報記録再生光学系」を「光ピックアップ光学系」とも呼ぶ。

光情報記録再生装置により光ディスクの記録又は再生を行う際、光ピックアップ光学系を構成する対物レンズやコリメートレンズ等の光学素子の光学面で発生する不要な反射光や散乱光が信号光に干渉して、記録又は再生される信号が劣化することがある。このため、光ピックアップ光学系を構成する対物レンズ等の光学面には、反射防止膜や、埃の付着を抑制する帯電防止膜等の各種機能膜が設けられることが多い。

ところで、ＢＤ等の高記録密度光ディスクに対する記録・再生には、例えば４００ｎｍ付近の短波長のレーザ光（以下「青色レーザ光」という。）が使用される。このような短波長の光は、光子エネルギーが高いため、光学素子を構成する材料に化学的に作用して変質させやすい。このため、例えば反射防止膜をコートした樹脂レンズに、高温環境下で短波長レーザ光線を一定以上のパワー密度で長時間照射すると、コーティングされた樹脂レンズの光学面に、照射されるレーザ光の強度分布に応じた微細な形状変化が発生して、収差や光学効率等の光学特性が劣化することが知られている。この問題に対して、樹脂基材の材料変更による対策が提案されている（特許文献１）。

特開２００５−２５１３５４号公報

特許文献１には、樹脂基材に脂環式構造を有する樹脂を使用することで、機能膜との密着性の低下を抑制する技術が提案されている。しかしながら、樹脂材料は光学素子、延いては光ピックアップ光学系の特性を決定づける最も重要な設計パラメータの一つであり、樹脂材料の選択範囲に大きな制限を加えることは設計の自由度を著しく損なうため好ましくない。実際に、特許文献１が提案する構成によっては、ＢＤ用の光ピックアップ光学系に要求される光学特性を実現することができない。また、特許文献１が提案する構成によっては、光学素子のコート面の形状変化が発生するまでの時間をある程度延長することは可能であるが、十分な耐光性を達成することができない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、必要な光学特性を達成するために十分な設計の自由度を確保しつつ、高温環境下において十分な耐光性を有する光情報記録再生光学系、及び該光学系を搭載した光情報記録再生装置を提供することを目的とする。

本発明により、光ディスクの記録層にレーザ光束を当て、光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置用光学系が提供される。本発明の実施形態に係る光情報記録再生装置用光学系は、レーザ光束を発生する光源と、光源から出射された光束を略平行光に変換する光学素子と、光学素子からの光束を光ディスクの記録層に集光するための対物レンズを有している。光源から出射される光束の波長λ（単位：ｎｍ）は、次の条件式（１）に定める範囲内にある。
４００＜λ＜４１０ …（１）
また、光学素子及び対物レンズは、それぞれガラス転移温度Ｔｇが次の条件式（２）に定められる範囲内にある同一又は異なる種類の樹脂材料からなる。
Ｔｇ＞１１５℃ …（２）
光学素子及び対物レンズの全ての光学面には、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）の各元素の一以上を含む光学薄膜は形成されていない。
また、光学素子の各光学面には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）からなる反射防止膜が形成されている。
光源からの光束が入射する光学面から対物レンズの出射面までの各光学面を順に第ｉ面（ｉ=１、２、３・・・、ｎ）としたときに、第ｉ面に波長λ_ＵＶ（λ_ＵＶ＝３６５ｎｍ）の光が垂直入射した場合の反射率Ｒ_ＵＶｉ（単位：％）、及び波長λ_ＢＬ（λ_ＢＬ＝４０５ｎｍ）の光が垂直入射した場合の反射率Ｒ_ＢＬｉ（単位：％）は次の条件式（３）を満たす。

上述の通り、光ピックアップ光学系の耐光性において特に問題となるのは、反射防止膜等の機能膜が設けられた光学面に微細な形状変化が発生することにより、収差等の光学特性が損なわれる点である。この形状変化は、光触媒作用を有する化合物を与えるチタン等の元素が機能膜に含まれている場合に特に多く現れる。これは、光触媒作用が形状変化の大きな要因の一つであることを示唆している。また、この形状変化は、高温保管や常温での青色レーザ光照射では発生せず、高温環境下の青色レーザ光照射によってのみ発生する。そのため、高温環境下のＬＤ照射による形状変化への対策は光触媒作用への対策のみでなく、高温環境耐久性の対策も必要となる。上記の構成では、光学素子及び対物レンズの基材材料にガラス転移温度Ｔｇが１１５℃より大きい樹脂を採用することで高温環境耐久性の向上を図り、さらにチタン等の光触媒作用に関連する元素を反射防止膜から排除することにより、上記の形状変化を防いでいる。また、酸化シリコンや酸化アルミニウム等の材料は、光触媒作用を有さない。このため、酸化シリコンや酸化アルミニウム等から形成された反射防止膜は基材に変質や変形を起こしにくい。また、これらの材料から形成された反射防止膜は、層間の屈折率差がある程度の大きさになるため、所望の光学特性の反射防止膜が比較的容易に（例えば少ない積層数で）得られる。また、基本性能を維持しつつ耐光性を高めるためには、対物レンズの出射面（第ｎ面）に入射する信号光である波長λ_ＢＬの光に対して、形状変化に大きく関与するノイズ光である波長λ_ＵＶの光量を低く抑える必要がある。波長λ_ＢＬ（λ_ＢＬ＝４０５ｎｍ）と波長λ_ＵＶ（λ_ＵＶ＝３６５ｎｍ）は互いに波長が近いため、各波長における基材樹脂の内部透過率には大きな違いが無い。そのため、上記の構成では、条件式（３）の左辺により与えられる累積表面透過率差（波長λ_ＢＬにおける表面透過率の累積値から波長λ_ＵＶにおける表面透過率の累積値を差し引いたもの）を５％より大きくすることにより、波長λ_ＵＶの光量を低く抑えている。従って、本発明の上記構成により、十分な基本性能を確保しつつ、高温環境下の耐光性に優れた光情報記録再生装置が提供される。

本発明の実施形態に係る光情報記録再生装置用光学系は、更に次の条件式（４）を満たしていることが望ましい。

条件式（４）を満たすことにより、光ディスクへの情報の記録・再生に使用される波長λ_ＢＬの光束の十分な光量が確保され、動作安定性に優れた光情報記録再生装置用光学系が実現する。条件式（４）を満たさない場合には、反射防止膜としての効果がなく、信号強度の増幅のために高出力のレーザが必要になる等、コストアップに繋がる。

また、光学素子を構成する樹脂材料中に波長λ_ＵＶの光を経路長３ｍｍだけ透過させたときの内部透過率をＴ_ＵＶとする。このとき、本発明の実施形態に係る光情報記録再生装置用光学系は、更に次の条件式（５）を満たしていることが望ましい。
Ｔ_ＵＶ＜０．８ …（５）
また、この場合には、上記の条件式（３）に替えて次の条件式（６）を満たせばよい。

すなわち、光学素子を構成する樹脂材料が、最終的に抑圧したい波長λ_ＵＶの紫外光に対して８０％未満の低い透過率を有する場合には、特に波長λ_ＵＶの光による形状変化を受け易い対物レンズの光学面に入射する波長λ_ＵＶの光量を少なくすることができる。そのため、累積表面透過率差を４％近くまで下げても光学面における形状変化を有効に抑えることができる。条件式（６）を満たさないと、紫外光の影響により形状変化が進行しやすい。または使用波長における反射率が大きくなり過ぎ、信号強度の低下が発生してしまう。

また、対物レンズの少なくとも一方の光学面には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）からなる反射防止膜が形成されていることが望ましい。これらの膜材料は、対物レンズの基材を光触媒作用によって変質させることがない。

光学素子及び対物レンズの光学面に形成される全ての反射防止膜が単層膜又は４層以下の積層膜であることが望ましい。反射防止膜を５層以上の積層膜にすると、製造工程での工数が増加しコストアップにつながる。また、対物レンズの入射側の光学面に形成される反射防止膜を５層以上の積層膜にすると、入射角度が変化した場合の反射スペクトル波形が複雑になるため、中心部と周辺部で反射光束や透過光束の強度分布に微細なフリンジが発生する。本発明者らの知見によれば、光学面に生じる形状変化のプロファイルは、光学面に照射される光の強度分布のプロファイルによって決定される。言い換えれば、光学面に入射する光束の強度分布を転写したようなプロファイルの形状変化が光学面に発生する。従って、５層以上の積層膜を使用したときに光学面に形状変化が発生すると、光学面にフリンジ状の変形が生じるため、収差等の光学特性が著しく劣化してしまう。単層膜又は４層以下の積層膜を使用すれば、反射光束や透過光束の強度分布が比較的に滑らかなプロファイルとなるため、光学面に形状変化が発生したとしても収差等の光学特性の劣化は緩やかなものとなる。また、光源からの光を複数の回折光に分割するための回折格子や輪帯段差を光源と光学素子の間に含む光情報記録再生光学系において、本発明は特に有効である。光学系に回折格子等が含まれる場合、回折格子等により光束の強度分布に微細な縞構造が与えられるため、光学面に形状変化が発生し光学特性が著しく低下しやすい。従って、このような光学系に本発明を適用すると、耐光性が特に顕著に改善される。

光源からの光束が対物レンズから出射する光学面に形成される反射防止膜は、波長３５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲で垂直入射において反射率が最小となる波長λ_ｍｉｎ（単位：ｎｍ）が次の条件式（７）を満たすことが望ましい。
４３０＜λ_ｍｉｎ＜６００ …（７）
機能膜への入射角度が大きくなるほど反射率が最小となる波長は短波長側にシフトすることが分かっている。条件式（７）を満たした場合には、垂直入射となる中心から斜入射となる周辺までの波長λ_ＢＬにおける反射率が小さく抑えられ、対物レンズから出射する光学面の波長λ_ＢＬにおける透過率が高くなり、波長λ_ＢＬの光束の光量を確保することができる。逆に条件式（７）に示される上限や下限を超えた場合には、波長λ_ＢＬの光量が低下してしまう。

光学素子の光学面の少なくとも一面に形成された反射防止膜は、樹脂の基材表面に形成された３層の積層膜であってもよい。この場合において、反射防止膜の層を基材表面側から積層順に第１層、第２層、第３層とし、第１層〜第３層を形成する材料の波長λ_ＢＬにおける屈折率をｎ１〜ｎ３とし、第１層〜第３層の厚さをｄ１〜ｄ３（単位：ｎｍ）としたときに、反射防止膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内に入るようにしてもよい。
第１層： １．５５≧ｎ１， ３０≦ｄ１≦１５０
第２層： １．５５＜ｎ２≦１．７０， ４０≦ｄ２≦１００
第３層： １．５５≧ｎ３， ３０≦ｄ３≦１５０

また、対物レンズの光学面の少なくとも一面に形成された反射防止膜は、樹脂の基材表面に形成された３層の積層膜であってもよい。この場合において、反射防止膜の層を基材表面側から積層順に第４層、第５層、第６層とし、第４層〜第６層を形成する材料の波長λ_ＢＬにおける屈折率をｎ４〜ｎ６とし、第４層〜第６層の厚さをｄ４〜ｄ６（単位：ｎｍ）としたときに、反射防止膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内に入るようにしてもよい。
第４層： １．５５≧ｎ４， ３０≦ｄ４≦２００
第５層： １．５５＜ｎ５≦１．７０， ３０≦ｄ５≦１００
第６層： １．５５≧ｎ６， ４０≦ｄ６≦１５０

また、対物レンズのレンズ面の少なくとも一面に形成された反射防止膜は、樹脂の基材表面上に形成された４層の積層膜であってもよい。この場合において、反射防止膜の層を基材表面側から積層順に第７層、第８層、第９層、第１０層とし、第７層〜第１０層を形成する材料の波長λ_ＢＬにおける屈折率をｎ７〜ｎ１０とし、第７層〜第１０層の厚さをｄ７〜ｄ１０（単位：ｎｍ）としたときに、反射防止膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内に入るようにしてもよい。
第７層： １．５５≧ｎ７， １０≦ｄ７≦１００
第８層： １．５５＜ｎ８≦１．７０， ３０≦ｄ８≦１５０
第９層： １．５５≧ｎ９， ４０≦ｄ９≦１００
第１０層： １．５５＜ｎ１０≦１．７０， ３０≦ｄ１０≦１００

光学素子及び／又は対物レンズの光学面に上記のような構成の反射防止膜を設けることにより、適切な範囲の累積表面透過率差及び波長λ_ＢＬにおける累積表面透過率が得られる。また、反射防止膜が十分な屈折率変調を有するため、必要な光学特性が得られる。そのため、優れた基本性能を確保しつつ、耐光性に優れた光情報記録再生装置用光学系が実現する。

また、本発明により、上記の光情報記録再生装置用光学系を備えた光情報記録再生装置が提供される。

本発明の実施形態によれば、所定の条件を満たす構成を有することにより、十分な光学特性を達成しつつ、光学素子の反射防止膜に十分な耐光性を与える光情報記録再生光学系が提供される。

本発明の実施形態に係る光ピックアップ光学系の概略構成を示す図である。

本発明が解決しようとする耐光性の問題、すなわち反射防止膜等の機能膜が形成された樹脂製の光学素子の光学面に高温下で高強度の青色レーザが照射されたとき生じる光学素子の特性劣化については、そのメカニズムが未だ十分に解明されていない。本発明は、様々な実験や解析を通して到達した上記特性劣化のメカニズムに関する本発明者らの仮説に基づいてなされたものである。そこで、本発明の実施形態を説明する前に、収差や光学特性の劣化及びそのメカニズムに関する本発明者らの知見及び仮説を説明する。

本発明者らが行った実験結果によれば、光学素子の特性劣化は、光触媒作用を有する化合物を与えるチタン等の元素を含む機能膜が光学面にコーティングされた場合に頻発する。また、特性劣化は常温では発生せず、比較的に高い環境温度下で青色レーザ光を光学面に照射した場合に発生する。劣化が生じる下限温度は光学系の設計によるが、７０℃以上の環境温度において劣化は頻発する。また、単に高温環境下に光学系を保管しただけでは特性劣化は発生しないことも確認されている。上記の発生条件を勘案すると、高温下で活性化された機能膜の光触媒作用により機能膜と接する基材の表層部に化学的な変化（変質・分解等）が起こり、その結果生じる光学面の変形や屈折率又は光吸収率の変化によって光学特性の劣化が起こるものと考えられる。

また、青色レーザの照射により収差等の光学特性が劣化した光学素子の光学面を観察すると、しばしば微小な凹凸が確認される。光学面に形成されるこの凹凸は、光学面に照射されるレーザ光束の強度分布（明暗）のプロファイルに対応している。例えば光路中に回折格子が配置された光学系において、回折格子によって発生する縞状の光の強度分布に応じた凹凸が光学系の各レンズ面に発生することがある。また、一面に輪帯段差が形成されたレンズの他面には、輪帯段差の影と一致する同心円状の凹凸が形成される。更に、楕円状の強度分布のプロファイルをもつ青色レーザ光束を光学面に照射すると、光学面にレーザ光束のプロファイルに対応する楕円状の凹部が生じ、非点収差が楕円の長軸方向に変動するという特性劣化が生じる。このような凹凸は、機能膜の光触媒作用により変質・分解を起こした基材の一部が収縮することにより発生すると考えられる。また、光学面の微細な形状変化と光学特性の劣化との相関から、微細な形状変化が特性劣化の直接的な要因の一つと考えられる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る光ピックアップ光学系、及びこの光ピックアップ光学系が搭載される光情報記録再生装置について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光情報記録再生装置に搭載される光ピックアップ光学系１００の概略構成を表す模式図である。本実施形態の光情報記録再生装置は、ＢＤ規格に準拠した高記録密度光ディスクＤ（以下「光ディスクＤ」という。）に対する情報の記録や再生を行う装置である。

図１に示されるように、光ピックアップ光学系１００は、光源１、ハーフミラー２、コリメートレンズ３、対物レンズ４、及び受光部５を有している。なお、図１に示される一点鎖線は、光ピックアップ光学系１００の基準軸ＡＸを示す。また、細い実線は光ディスクＤへの入射光束またはその戻り光を示している。

光ディスクＤは、図示省略された保護層及び記録面を有している。なお、実際の光ディスクＤにおいて、記録面は、保護層と基板層（あるいはレーベル層）によって挟持されている。また、光ディスクＤは、図示省略されたターンテーブル上にセットされ、回転された状態で記録面に光源１が発生するレーザ光束が当てられて情報の記録又は再生が行われる。

光源１は、設計基準波長４０６ｎｍの青色レーザ光を照射する半導体レーザである。一般に光ピックアップ光学系に使用されるファブリ・ペロー型半導体レーザの発振波長λ（単位：ｎｍ）は、使用環境や製品個体差により数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の範囲（例えば４００〜４１０ｎｍ）で変動する。

図１に示されるように、光源１から照射されたレーザ光束は、ハーフミラー２により偏向されてコリメートレンズ３に入射する。コリメートレンズ３に入射したレーザ光束は、コリメートレンズ３により平行光束に変換された後、対物レンズ４の第一面４１に入射する。第一面４１に入射したレーザ光束は、対物レンズ４の第二面４２から射出して、情報の記録または再生の対象となる光ディスクＤの記録面近傍に収束する。収束したレーザ光束は、光ディスクＤの記録面上で収差の少ない良好なスポットを形成する。そして、レーザ光束は、光ディスクＤの記録面で反射して、入射時と同一の光路を戻り、ハーフミラー２を透過して受光部５により受光される。

受光部５は、受光したレーザ光束を光電変換してアナログ信号を生成し、図示省略された信号処理回路に出力する。信号処理回路は、入力されたアナログ信号をビットストリームに変換して所定の誤り訂正処理を行う。次いで、誤り訂正されたビットストリームをオーディオストリームやビデオストリーム等の各ストリームに分離してデコードする。信号処理回路は、デコードして得られたオーディオ信号やビデオ信号等をアナログ信号に変換してスピーカやディスプレイ（何れも不図示）に出力する。これにより、光ディスクＤに記録された音声や映像等がスピーカやディスプレイを通じて再生される。

対物レンズ４は、光ディスクＤに対する情報の記録や再生が適切に行われるように、使用波長λにおける光ディスクＤ側の開口数ＮＡが例えば０．８〜０．８７の範囲に収まるように構成されている。

コリメートレンズ３及び対物レンズ４は、合成樹脂から成形された樹脂製レンズである。樹脂製レンズはガラス製レンズに比べて軽量であるため、対物レンズ４に樹脂レンズを採用することにより、レンズ駆動用アクチュエータ（不図示）に加える負担を軽くすることができる。また、樹脂は、ガラスと比べてガラス転移温度が格段に低く、低い温度で成形することができる。このため、樹脂製レンズは、ガラス製レンズと比べて、製造が容易であり、製造に必要なエネルギー消費量も少ない。更に、樹脂製レンズは割れ難く、取扱いが容易であり、量産による低コスト化に適している。コリメートレンズ３及び対物レンズ４の材料には、使用波長λにおける屈折率ｎが例えば１．４〜１．７の範囲に収まる樹脂が選択される。また、後述するように、コリメートレンズ３や対物レンズ４等の光学素子の光学面に反射防止膜がコーティングされる場合、高温環境下で光触媒が関与する微細な形状変化がコーティングされた光学面に発生する場合がある。このような形状変化は、コリメートレンズ３や対物レンズ４を形成する樹脂のガラス転移温度Ｔｇが比較的に低い場合（具体的には、Ｔｇが１１５℃以下の場合）に頻発する。このため、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の基材に使用する材料には、Ｔｇが１１５℃（好ましくは１２０℃）を超える樹脂が選択される。また、コリメートレンズ３と対物レンズ４の基材に使用される樹脂は、同一種類の樹脂であっても、異なる種類の樹脂であってもよい。

コリメートレンズ３の両面には反射防止膜がコーティングされる。また、対物レンズ４の片面又は両面にも、必要に応じて反射防止膜がコーティングされる。コリメートレンズ３や対物レンズ４にコーティングされる反射防止膜は、単層又は積層された複数層の誘電体薄膜であり、スパッタリングや真空蒸着により成膜される。薄膜材料には、光触媒反応を誘起する化合物を構成するチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、又はクロム（Ｃｒ）等の元素を含まない誘電体材料が使用される。これらの元素を含有する膜（例えば酸化チタン膜）を対物レンズ４の光学面にコーティングすると、高温環境において青色レーザ光の吸収によって膜が活性化されて周囲の樹脂に化学変化を起こさせ、変質及び変質に伴う変形を光学面付近の樹脂基材に生じさせる。光触媒作用をもたらす上記元素の含有がコート面付近のレンズ基材の形状変化や変質に与える影響は大きいため、コリメートレンズ３や対物レンズ４の寿命を長くするには、反射防止膜はこれらの元素を含まない材料から構成される必要がある。

このため、薄膜材には、光触媒作用のない材料、例えば酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）が使用されることが望ましい。このような成分から構成される反射防止膜は、コリメートレンズ３の両面に設けられる。コリメートレンズ３の両面に反射防止膜を設けることにより、不要な反射による信号レベルの低下やノイズの発生を効果的に軽減することができる。また、対物レンズ４の光学面にも上記成分の反射防止膜を設けることが望ましく、コリメートレンズ３と同様、通常は両面に反射防止膜を設けることが望ましい。なお、第一面４１、第二面４２では中心部から周辺にかけての入射角度の変化が大きく、第一面、第二面で反射する反射光は広角に拡散する。このため、第一面４１、第二面４２で反射した光が光ディスクＤに対する情報の記録・再生に与える影響は比較的に小さい。従って、設計によっては、第一面４１や第二面４２には必ずしも反射防止膜を設ける必要は無い。

また、光ピックアップ光学系１００を構成する光学素子の光学面に形成される反射防止膜は、それぞれ別の構成であっても、全て同じ構成であってもよい。また、ある光学素子において、光学面毎に異なる構成の反射防止膜を設けても、同じ構成の反射防止膜を設けても良い。光学面に入射する青色レーザ光のパワー密度や光学面の曲率等に応じて、光学素子毎に、また光学面毎に反射防止膜の構成を決定することが望ましい。

上記に説明した本発明の実施形態に係る光ピックアップ光学系について、以下に幾つかの実施例を示す。表１に、各実施例（実施例１〜１１）における光ピックアップ光学系１００の具体的構成を示す。また表２に、実施例１〜１１において使用される反射防止膜ＡＲ１〜ＡＲ１１の膜構成を示す。

各実施例は、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の各光学面に、３層又は４層の誘電体多層膜（反射防止膜）が形成されたものである。以下の説明において、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の各光学面を、光源１からの光束が通過する順にＡ面３１、Ｂ面３２、Ｃ面４１、及びＤ面４２と呼ぶ（図１参照）。すなわち、Ａ面３１及びＢ面３２はコリメートレンズ３の光学面であり、Ｃ面４１及びＤ面４２は対物レンズ４の光学面である。コリメートレンズ３及び対物レンズ４の各光学面には、１１種類の反射防止膜（ＡＲ１〜ＡＲ１１）のうちのいずれかがコーティングされている。反射防止膜ＡＲ１〜ＡＲ１１は、膜を構成する各層の材料（屈折率）及び厚さによって定義される。表２には、反射防止膜ＡＲ１〜ＡＲ１１のそれぞれについて、膜構成（各層の材料、屈折率ｎ１〜ｎ４、及び厚さｄ１〜ｄ４（単位：ｎｍ））及び反射特性（反射率Ｒ_ＵＶ、Ｒ_ＢＬ（単位：％））が示されている。なお、屈折率ｎ１〜ｎ４及び厚さｄ１〜ｄ４は、それぞれ対応する各誘電体層（第１層〜第４層）の屈折率及び厚さを示す。

反射率Ｒ_ＵＶは垂直入射した波長λ_UV（λ_UV＝３６５ｎｍ）の紫外光に対する反射防止膜の反射率であり、反射率Ｒ_BLは垂直入射した波長λ_BL（λ_BL＝４０５ｎｍ）の青色光に対する反射防止膜の反射率である。

表１に示されるように、実施例１〜１１は、コリメートレンズ３及び対物レンズ４のレンズ基材に使用する樹脂材料及び各光学面にコーティングする反射防止膜の組合せが互いに異なる。表１には、コリメートレンズ３及び対物レンズ４のそれぞれについて、各光学面に設けられた反射防止膜の種類、レンズ基材を形成する樹脂材料のガラス転移温度Ｔｇ（単位：℃）及び波長λ_UVにおける内部透過率Ｔ_UV（単位：％）、並びに光ピックアップ光学系１００の累積表面透過率差ΔＡＰ^A-C（単位：％）及び波長λ_BLにおける累積表面透過率ＡＰ_(BL) ^A-D（単位：％）が示されている。なお、内部透過率Ｔ_UVは、３ｍｍ厚の樹脂材料に波長３６５ｎｍの紫外光を透過させたときの内部透過率である。

ここで、累積表面透過率差ΔＡＰ^A-C及び累積表面透過率ＡＰ_(BL) ^A-D（及びＡＰ_(UV) ^A-D）について説明する。薄膜の表面透過率Ｐは、表面に入射した光の強度に対する表面を通過した光の強度の比であり、内部透過率Ｔを含まない特性値である。例えば、波長λ_BLの光束に対して、ｉ番目の面の反射率をＲ_(BL)ｉと表記すると、このｉ番目の面における表面透過率Ｐ_(BL)ｉ（単位：％）は次式で表される。

また、本明細書においては、例えば波長λ_BLの光束が連続して通過する１番目からｎ番目までの光学面の表面透過率Ｐ_(BL)ｉの積を累積表面透過率ＡＰ_(BL)と呼ぶ。例えば、Ａ面３１を１番目の面、Ｄ面４２をｎ番目（ｎ＝４）の面とし、Ａ面３１からＤ面４２までの累積表面透過率をＡＰ_(BL) ^A-Dと表記すると、ＡＰ_(BL) ^A-Dは次式により計算される。

累積表面透過率ＡＰは、実際の光学系の透過率に含まれる吸収や多重反射（散乱を含む）の寄与を無視した概算の透過率である。反射率のみから簡単に計算できるため、吸収や散乱の比較的少ない光学系の設計において極めて有用なパラメータとなる。本実施形態の光ピックアップ光学系１００においては、波長λ_BLにおける吸収をほとんど無視することができる。このため、累積表面透過率ＡＰ_(BL) ^A-Dの計算値は、実際に波長λ_BLの光束をコリメートレンズ３及び対物レンズ４に透過させたときの透過率と良く一致する。波長λ_UVの紫外光束においては内部透過率Ｔ_uvが多少低くなる（表２参照）。しかしながら本実施形態においては、光束が光学素子（樹脂）を通過する距離が短いため、累積表面透過率ＡＰ_(UV)は実際の透過率の良い指標となる。

ところで、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の各光学面（Ａ面〜Ｄ面）の中で、Ｄ面４２において最もレーザ光束のビーム径が細く絞られ、パワー密度が高くなる。従って、Ｄ面４２は青色レーザの長時間露光による光学面の劣化が最も生じ易い。この劣化は、コリメートレンズ３の出射面（Ｂ面３２）に対して、対物レンズ４の出射面（Ｄ面４２）におけるレーザ光束のパワー密度が５倍以上に集光される場合に顕著に見られる。そのため、光ピックアップ光学系１００の耐光性を確保する上で、Ｄ面４２に入射するレーザ光束のパワーの管理が重要になる。Ｄ面４２に入射する波長λ_BLの光束のパワーは、光学面Ａ〜Ｃの累積表面透過率ＡＰ_(BL) ^A-Cに略比例する。Ｃ面４１はｎ−１番目の面となるため、ＡＰ_(BL) ^A-Cは次式により表される。

また、本明細書において、波長λ_BLの青色光に対する累積表面透過率ＡＰ_(BL)と、波長λ_UVの紫外光に対する累積表面透過率ＡＰ_(UV)との差分を累積表面透過率差ΔＡＰ^A-Cと呼ぶ。累積表面透過率差ΔＡＰ^A-Cは次式によって表される。なお、累積表面透過率差ΔＡＰ^A-Cが大きいほど、Ｄ面４２に入射される光束において、波長λ_BLの成分に対して波長λ_UVの成分が強く抑圧されることになる。

波長λ_BLの青色光は光ピックアップ光学系１００の信号光であるため、一定の強度に保つ必要があり、光ピックアップ光学系１００は波長λ_BLの光束に対しては低損失に設計されることが望ましい。一方、波長λ_UVの紫外光は、単なるノイズ成分であり、また光学面（特にＤ面４２）の劣化に大きく関与するため、光ピックアップ光学系１００は波長λ_UVの光束に対しては高損失に設計されることが望ましい。従って、上述の累積表面透過率差ΔＡＰ^A-Cは大きい方が望ましい。具体的には、ΔＡＰ^A-Cを５％以上にすると光学面の形状変化が有意に減少し、ΔＡＰ^A-Cを７％以上にすると広範囲な設計条件において必要な耐光性が確保される。また、ΔＡＰ^A-Cを１０％以上にすると使用温度条件を厳しく設定した場合でも耐光性が確保され、ΔＡＰ^A-Cを１５％以上にすると更に広範囲な設計条件において必要な耐光性が確保される。各反射防止膜の波長λ_UVにおける反射率Ｒ_UVを高くすることによってΔＡＰ^A-Cを高くすることができる。しかし、反射率Ｒ_UVに連動して波長λ_BLにおける反射率Ｒ_BLも高くなるため、反射率Ｒ_UVを高くしすぎると、波長λ_BLの光束に対する透過率が低下し、光ピックアップ光学系１００の基本性能が低下するというデメリットが生じる。そのため、波長λ_BLにおける累積表面透過率ＡＰ_(BL) ^A-Dを一定の値（望ましくは９０％以上）に保ちつつ、ΔＡＰ^A-Cが高くなるように反射防止膜を構成することが重要である。

また、Ａ面〜Ｃ面の表面透過率だけでなく、波長λ_UVの紫外光束に対するコリメートレンズ３の内部透過率Ｔ_UVが高い場合にも、Ｄ面４２に入射する波長λ_UVのパワー密度が下がり、形状変化が起こり難くなる。波長λ_UVに対する内部透過率Ｔ_UVが９０％以下の樹脂をコリメートレンズ３の基材に使用したときに、光学面の形状変化の低減に有意な効果が現れる。表１に示されるように、全ての実施例においてコリメートレンズ３の波長λ_UVの紫外光束に対する内部透過率Ｔ_UVが９０％以下になるような材料が選択されている。また、実施例１、３、４、６、８、及び１０のように、コリメートレンズ３の基材に内部透過率Ｔ_UVが８０％以下の樹脂を使用すると、広範囲な設計条件において必要な耐光性が確保される。また、コリメートレンズ３の基材に使用される内部透過率Ｔ_UVが十分に低い場合は、累積表面透過率差ΔＡＰ^A-Cが若干低くても、必要な耐光性が確保される程度にＤ面４２を通過する波長λ_BLの光束のパワー密度を下げることができる。例えば、コリメートレンズ３の基材に内部透過率Ｔ_UVが８０％以下の樹脂が使用される場合には、累積表面透過率差ΔＡＰ^A-Cは４％以上あれば十分な耐光性が確保される（実施例１、３、４、６、１０）。

また、表１に示されるように、いずれの実施例においても、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の基材としてガラス転移温度が１２０℃以上の樹脂が使用されている。機能膜が設けられた光学面に生じる形状変化は、機能膜によるレーザ光の吸収に伴って発生する熱や光触媒作用に伴う反応熱により、機能膜周辺の樹脂の温度が局所的に上昇することが一因と考えられる。従って、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の基材にガラス転移温度の高い樹脂を使用することが、光学面の形状変化の防止に有効である。ガラス転移温度が１１５℃以下の樹脂を使用したときに光学面に形状変化が発生する頻度が特に高く、ガラス転移温度が１２０℃以上の樹脂を使用すると形状変化の頻度は顕著に少なくなる。そのため、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の基材には、ガラス転移温度が１１５℃を超える樹脂を使用することが重要であり、ガラス転移温度が１２０℃以上の樹脂を使用することが望ましい。

次に、各実施例において採用された反射防止膜の構成を説明する。表１に示されるように、反射防止膜ＡＲ１〜１１は、いずれも最低層（最も基材に近い層、すなわち第１層）から、低屈折率層（ｎ＜１．５）と高屈折率層（ｎ＞１．６）が交互に積層した多層膜である。なお、４層膜のＡＲ７〜９を除いては、全て３層膜である。また、反射防止膜ＡＲ１〜９は対物レンズ用のコーティングとして好適化された膜であり、ＡＲ１０及び１１はコリメートレンズ用として好適化された膜である。また、ＡＲ４〜６を除き、低屈折率層の材料として酸化シリコンが、高屈折率層の材料として酸化アルミニウムが、それぞれ使用されている。反射防止膜ＡＲ４〜６では、基材と接触する第１層に、酸化シリコンに若干量の酸化アルミニウムを加えた材料が使用されている。酸化アルミニウムの添加により、第１層の屈折率が酸化シリコンのみの場合に比べて多少高めに調整されている。なお、反射防止膜ＡＲ１〜３、１０、及び１１は、各層の厚さが異なるのみで、膜の基本構成は同一である。第１層に酸化アルミニウムを含む膜ＡＲ４〜６、及び４層構造の膜ＡＲ７〜９も、それぞれ各層の厚さのみが異なるものである。

表１から明らかなように、各実施例において使用される反射防止膜ＡＲ１〜ＡＲ１１には、光触媒作用を有する化合物を与えるチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）等の元素は含まれていない。従って、反射防止膜ＡＲ１〜ＡＲ１１は光触媒作用によって基材を変質させることが無い。また、反射防止膜ＡＲ１〜ＡＲ１１は、光触媒反応性が無い酸化シリコン及び酸化アルミニウムのみから構成されている。このため、反射防止膜ＡＲ１〜ＡＲ１１によるレーザ光束の吸収に伴って発生する光触媒反応により基材が形状変化するようなことも起こり難い。

一般に光ピックアップ用の対物レンズには回折格子が形成されており、この回折格子が発生する回折光によってコリメートレンズ３の光学面に光の強度分布が生じる。青色レーザに対する耐性が低い場合には、高温環境下で光の当たっている部分に光の強度分布に応じた形状変化が起こり著しい性能低下を招く。表１に記載の各実施例においては、コリメートレンズ３の各光学面にも青色レーザ光の照射に対する耐性に優れたコーティングが施されているため、光の強度分布による性能劣化も生じにくい。このため、耐光性試験においてコリメートレンズ３の光学面が形状変化することがなく、光ピックアップ光学系１００の試験中の収差変動を低く抑えることができる。

また、各実施例において採用された反射防止膜は、いずれも高屈折率層の屈折率が１．７未満に抑えられており、低屈折率層と高屈折率層の屈折率の差も０．２以内に抑えられている。光触媒作用を有する膜は高屈折率の金属を含んでいるため、上記構成となっている。このような光触媒反応は、コリメートレンズ３の出射面（Ｂ面）に対して光束が５倍以上に集束される光学面（本実施形態におけるＤ面）に屈折率が１．７を超える高屈折率層を含む膜を設けた場合に顕著に現れる。

また、対物レンズの出射面（Ｄ面４２）に形成される反射防止膜は、波長３５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲で反射率が最小となる波長が４３０〜６００ｎｍの範囲に位置するような波長特性を有していることが望ましい。このような反射防止膜を対物レンズの出射面に設けると、波長λ_BL付近の光束の透過率が高くなり、光量の確保に有利となる。

実施例１〜１１の各光ピックアップ光学系について耐光性評価試験（３０ｍＷ/ｍｍ^２，７５℃×１０００時間）を行ったところ、全ての実施例において試験後も仕様条件を満たす光学特性を維持し、十分な耐光性を有することが確認された。
＜試験条件＞
・レーザ照射条件
波長： λ_ＢＬ＝４０５ｎｍ
出力： ３０ｍＷ/ｍｍ^２（連続発振）
・周囲温度： ７５℃
・試験時間： １０００時間

以上が本発明の実施形態および該実施形態の具体的実施例の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば、本発明の別の実施形態においては、複数の光学素子によりコリメート光学系が構成されてもよい。コリメート光学系は、複数のレンズを含んでいてもよく、レンズ以外の光学素子（例えば偏光子や位相板等）を含んでいてもよい。従って、上記の説明においては、コリメートレンズ以外の光学素子を用いて光源から出射された光束を略平行光に変換することでも、本発明の効果を得ることができる。

１ 光源
２ ハーフミラー
３ コリメートレンズ
３１ Ａ面
３２ Ｂ面
４ 対物レンズ
４１ 第一面、Ｃ面
４２ 第二面、Ｄ面
５ 受光部
１００ 光ピックアップ光学系（光情報記録再生光学系）
ＡＸ 基準軸
Ｄ 光ディスク

Claims (11)

1. 光ディスクの記録層にレーザ光束を当て、光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生装置用光学系において、
   レーザ光束を発生する光源と、
   前記光源から出射された光束を略平行光に変換する光学素子と、
   前記光学素子からの光束を前記光ディスクの記録層に集光するための対物レンズと
   を有し、
   前記光束の波長λ（単位：ｎｍ）は、次の条件式（１）に定める範囲内にあり、
   ４００＜λ＜４１０ …（１）
   前記光学素子及び前記対物レンズは、それぞれガラス転移温度Ｔｇが次の条件式（２）に定められる範囲内にある同一又は異なる種類の樹脂材料からなり、
   Ｔｇ＞１１５℃ …（２）
   前記光学素子及び前記対物レンズの全ての光学面には、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）の各元素の一以上を含む光学薄膜は形成されておらず、
   前記光学素子の各光学面には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物からなる反射防止膜が形成されており、
   前記光源からの光束が入射する光学面から前記対物レンズの出射面までの各光学面を順に第ｉ面（ｉ=１、２、３・・・、ｎ）としたときに、該第ｉ面に波長λ_ＵＶ（λ_ＵＶ＝３６５ｎｍ）の光が垂直入射した場合の反射率Ｒ_ＵＶｉ（単位：％）、及び波長λ_ＢＬ（λ_ＢＬ＝４０５ｎｍ）の光が垂直入射した場合の反射率Ｒ_ＢＬｉ（単位：％）が次の条件式（３）を満たす
   

   

   ことを特徴とする光情報記録再生装置用光学系。
2. 更に、次の条件式（４）を満たす
   

   

   ことを特徴とする請求項１に記載の光情報記録再生装置用光学系。
3. 前記光学素子を構成する樹脂材料中に前記波長λ_ＵＶの光を経路長３ｍｍだけ透過させたときの内部透過率をＴ_ＵＶとしたときに、更に次の条件式（５）を満たし、
   Ｔ_ＵＶ＜０．８ …（５）
   前記条件式（３）に替えて次の条件式（６）を満たす
   

   

   ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の光情報記録再生装置用光学系。
4. 前記対物レンズの少なくとも一方の光学面に、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物からなる反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系。
5. 前記光学素子及び前記対物レンズの光学面に形成される全ての反射防止膜が単層膜又は４層以下の積層膜であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系。
6. 前記光源からの光を複数の回折光に分割するための回折格子が該光源と前記光学素子の間に含まれていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系。
7. 前記光源からの光束が前記対物レンズから出射する光学面に形成される反射防止膜は、波長３５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲で垂直入射において反射率が最小となる波長λ_ｍｉｎ（単位：ｎｍ）が次の条件式（７）を満たす、
   ４３０＜λ_ｍｉｎ＜６００ …（７）
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系。
8. 前記光学素子の光学面の少なくとも一面に形成された反射防止膜は、樹脂の基材表面に形成された３層の積層膜であり、
   前記反射防止膜の層を基材表面側から積層順に第１層、第２層、第３層とし、
   前記第１層〜第３層を形成する材料の波長λにおける屈折率をｎ１〜ｎ３とし、
   前記第１層〜第３層の厚さをｄ１〜ｄ３（単位：ｎｍ）としたときに、
   前記反射防止膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内にある
   第１層： １．５５≧ｎ１， ３０≦ｄ１≦１５０
   第２層： １．５５＜ｎ２≦１．７０， ４０≦ｄ２≦１００
   第３層： １．５５≧ｎ３， ３０≦ｄ３≦１５０
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系。
9. 前記対物レンズの光学面の少なくとも一面に形成された反射防止膜は、樹脂の基材表面に形成された３層の積層膜であり、
   前記反射防止膜の層を基材表面側から積層順に第４層、第５層、第６層とし、
   前記第４層〜第６層を形成する材料の波長λにおける屈折率をｎ４〜ｎ６とし、
   前記第４層〜第６層の厚さをｄ４〜ｄ６（単位：ｎｍ）としたときに、
   前記反射防止膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内にある
   第４層： １．５５≧ｎ４， ３０≦ｄ４≦２００
   第５層： １．５５＜ｎ５≦１．７０， ３０≦ｄ５≦１００
   第６層： １．５５≧ｎ６， ４０≦ｄ６≦１５０
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系。
10. 前記対物レンズのレンズ面の少なくとも一面に形成された反射防止膜は、樹脂の基材表面上に形成された４層の積層膜であり、
    前記反射防止膜の層を基材表面側から積層順に第７層、第８層、第９層、第１０層とし、
    前記第７層〜第１０層を形成する材料の波長λにおける屈折率をｎ７〜ｎ１０とし、
    前記第７層〜第１０層の厚さをｄ７〜ｄ１０（単位：ｎｍ）としたときに、
    前記反射防止膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内にある
    第７層： １．５５≧ｎ７， １０≦ｄ７≦１００
    第８層： １．５５＜ｎ８≦１．７０， ３０≦ｄ８≦１５０
    第９層： １．５５≧ｎ９， ４０≦ｄ９≦１００
    第１０層： １．５５＜ｎ１０≦１．７０， ３０≦ｄ１０≦１００
    であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置用光学系を備えた光情報記録再生装置。

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