JP4995712B2 - 光線に光学収差をもたせる光学部品 - Google Patents

Description

本発明は、光軸を定める光線に光学収差を持たせる光学部品に関し、前記光学部品は、内部に第１の流体及び少なくとも第２の流体を有する流体チャンバーであって、前記第１及び第２の流体が非混和性であり、前記第１の流体及び第２の流体が、前記流体チャンバーにわたって延在し、前記光軸を実質的に横切る界面に沿って接触しており、前記第１及び第２の流体が異なる屈折率を有し、前記第１の流体が実質的に電気絶縁性で、かつ、前記第２の流体が実質的に電気導電性であるような流体チャンバーと、前記第２の流体から分離した少なくとも１つの第１の電極と、前記第２の流体に作用し、前記第１と第２の電極との間に印加した電圧に応じて前記界面の形状を変える少なくとも１つの第２の電極とを備える。

そのような光学部品は、特許文献１から既知である。
国際公開第０３／０６９３８０号パンフレット

冒頭で述べた光学部品は、例えば、光学式記録担体用の走査デバイスに用いられる。記録担体としては、例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）又はディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）が考えられる。

光学式記録担体用の走査デバイスでは、例えば半導体レーザ等の光源により生成された光線が、対物レンズを通して向き付けられ、記録担体の透明保護層を通って、記録担体の情報層に集められる。光線が通過しなければならない透明保護層により、光学収差、特に球面収差が生じ、これが記録担体の情報層上の光線の焦点の質を劣化させる。コマ収差は透明保護層に起因する別の光学収差であり、主に光線の光軸に対する記録担体の傾き、又は記録担体のセンタリング誤差に起因する。

そのような光学収差は、走査デバイスの出力信号に悪影響を及ぼす。従って、そのような走査デバイスにおける光学収差を補償する必要がある。

球面収差は対物レンズのレンズを特別に設計して補償することができるが、光学収差の補償のために、光線の経路に追加の光学部品を配置することも可能であり、対物レンズから離間している場合にはこちらの方が好適である。特に、保護透明層厚の差異により、又は、光線に対する記録担体の傾斜の差異もしくはセンタリング誤差により、記録担体ごとに光学収差は変化し得るため、種類及び／又は程度もしくは量が可変又は相違する光学収差に対応できるように、このような光学収差を補償することが望ましい。

前述した特許文献１は、可変焦点レンズを開示しており、この可変焦点レンズは、例えば走査すべき記録担体に起因する光学収差を補償するために、光線に光学収差を持たせることができる。この可変焦点レンズは、第１の流体及び第２の非混和性の流体を備え、それらは界面としてのメニスカス上で接触している。流体接触層によって流体から離間された第１の電極、及び第１電極と接触している第２の電極を設けて、エレクトロウェッティング効果を生じさせ、これにより、これらの電極間に電圧を印加することによってメニスカスの形状を変えることができる。流体接触層は実質的に円柱形の内壁を有する。この公知の可変焦点レンズの第１電極は、実質的に円柱形の電極であり、光軸と平行な流体チャンバーの周壁を取り囲んでいる。第２電極を、中央に開口部を有するリングとして構成し、光軸と垂直になるように配置している。この公知の可変焦点レンズは、流体チャンバー内の流体に電界を印加することによって、壁面上の流体のぬれ性を変えることができるという効果を利用している。

この既知の配置では、第１及び第２電極の間の屈折界面を非球面とし、球面収差の修正を行うことができる。しかしながら、この公知の可変焦点レンズは以下の欠点がある。

この公知の可変焦点レンズはエレクトロウェッティング効果を利用しているため、電極は周壁でのメニスカスの角度に影響を及ぼす。しかし、メニスカス形状の中央に及ぼす影響はごく限られているため、２つの流体間の屈折界面において得られる異なる非球面の表面の数が限られ、従って、種類と程度の異なる多数の光線における光学収差を補償する能力を制限している。

液晶格子に基づく波面収差を作ることが出来る別の光学部品は、例えば特許文献２又は特許文献３に記載されている。
米国特許公開第２００３／０００７４４５号明細書 米国特許公開第２００２／０１８１３６７号明細書

しかしながらそのような液晶格子は多数の配向層を含むため、製造コストがかかるという欠点を有しており、これらの液晶格子を用いて光線の光学収差を導入し補償するのは費用効果のある解決法ではない。さらに、これらの液晶格子の切替時間は数ミリ秒オーダであり、高速な切替や同調を行うことができない。

従って、本発明の目的は、高速な切替を可能にし、かつ製造コストを低く抑えながら、より自由度の高い表面形状を得られるように、冒頭で述べた光学部品を改良することにある。

この目的は、冒頭で述べた光学部品であって、少なくとも１つの第１電極を、界面に対して中間の部分に配置し、少なくとも１つの第１電極と少なくとも１つの第２電極との間に印加される電圧に応じて、周壁の間にある界面の中間部分を実質的に光軸の方向に動かす光学部品によって達成される。

本発明に係る光学部品の概念は、電気絶縁性の流体層、すなわち第１流体の下に配置された電極に向かって、接触している液体、すなわち第２流体を引っ張ることができるという見識に基づいている。公知のエレクトロウェッティングデバイスでは、壁面に対するメニスカスの接触角に影響を与えることで、界面形状を変えることができる。壁面の間では界面は影響を受けず、界面自由エネルギーが最小となる状態での形状をとる。対照的に、本発明に係る光学部品によれば、第２の導電性の流体は、第１電極と第２電極の間に生成された電界が、界面を介して、流体チャンバーの周壁の間であって実質的に界面に垂直な中間部において、第２の導電性の流体に作用するように配置された少なくとも１つの第１電極の影響を受け、さらに、少なくとも１つの第１電極と第２電極の間にそれぞれの電圧を印加することにより、第１電極と第２電極との間の界面が、実質的に光軸の方向で、少なくとも１つの第１電極に接近又は離隔する。従って、流体チャンバーの周壁の間であっても、界面又はメニスカスの曲率に影響を及ぼすことができる。言い換えれば、少なくとも１つの第１電極と少なくとも１つの第２電極によって生成された電界が、界面を実質的に垂直に通過し、第２の導電性の流体に作用し、これを実質的に光軸に平行に動かす。

少なくとも１つの第１電極は光軸を横切る流体チャンバーの壁に配置され、この壁が光学部品における光の入口、又は出口の壁となるのが好適である。従って、少なくとも１つの第１電極は光線の経路に配置されているが、このことは、少なくとも１つの第１電極が例えば、透明電極の製造に既に使用されている材料であるインジウムスズ酸化物などの透明な材料で製造できるため、技術上の問題にはならない。

本発明の好適な実施態様では、少なくとも１つの第１電極を薄板として構成し、その面を光軸に垂直になるように配置する。

さらに、互いに電気的に絶縁させた複数の第１電極を、光軸に垂直な実質的に１つの面内に並べて配置することが好適である。その結果、例えば界面を凹凸を同時に有する形状にも変えることができる。

これに関連して、少なくとも１つの第２の電極と第１電極のうちの１つとの間に異なる電圧を印加することができるように、第１の電極を別々に電圧源に接続することが好適である。

その結果、それぞれの第１電極を個別に制御でき、界面又はメニスカスの取り得る形状の数はさらに多くなる。

幾つかの第１電極が他のものと寸法及び／又は形状が異なってもよく、例えば、単体の第１電極の寸法及び／又は形状は、光線に持たすべき特定の光学収差に応じて選択できることが好適である。従って、光軸に対して非回転対称的に光学収差補償を与えることもできる。

さらに、光軸に対しする回転対称性を光学収差補正に与えることが求められる場合には、少なくとも１つの第１電極をリング状に構成し、第１電極を、光軸に対して同心円状に並んだリングとして構成することが好適である。

光軸の周囲に配置された異なるリングに異なる電圧を供給することで、２つの流体の間の屈折界面を所望の形状に変えることができる。

他の好適な実施例では、複数の第１電極は少なくとも３つの第１電極を有し、それらのうち２つの第１電極を楕円形状又は長円形状に構成して互いに平行に離間させて配置し、２つの電極の間の残存部分を埋める３つ目の第１電極で取り囲んでいる。

そのような構成の第１電極は、コマ収差を補償するためのコマ収差を光線に持たせるのに特に好適である。

本発明はさらに、前述した光学部品のいずれかを備える光学式記録担体用の走査デバイスに関する。

以下の説明と添付の図面から、さらなる特徴と利点が明らかになる。

前述の、又は以下に述べる特徴は、与えられた組合せのみに適用できるわけではなく、他の組合せ又は分離も本発明の範囲から逸脱せずに適用可能である。

本発明の好適な実施例を、添付の図面を参照しつつ以下に説明する。

図１は、光学式記録担体１２を走査するための走査デバイス１０を示す。記録担体は、一方の側面上に情報層１６が配置された透明層１４を備えている。情報層１６の透明層１４に面していない側は、保護層（図示せず）によって周囲の影響から保護されている。情報層１６に支持機構を設けることにより、透明層１４が記録担体１２の基板として機能する。

記録担体１２は例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）、又はディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などである。情報は、情報層１６（図示せず）内の実質的に平行な、同心円状又はらせん状のトラックに配置した光学的に検知可能なマーク形式で、記録担体１２に記憶される。マークは光学的に読み取り可能な任意の形式、例えば、ピット形式、屈折率もしくは磁化の方向が周囲と異なるエリア、又はこれらの形式の組合せなどとすることができる。

走査デバイス１０は、分岐する光線２０を発する、例えば半導体レーザ等の光源１８を備える。例えば半透明板等のビームスプリッタ２２は、光線２０を、平行光線２０′を形成するコリメータレンズ２４に向けて反射し、その光線２０´は対物レンズ２６に入射する。対物レンズ２６は光線２０′を集束光線２０″に変換し、集束光線２０″は透明層１４を通過して記録担体１２の情報層１６に到達する。

実施例ではコリメータレンズ２４と対物レンズ２６を別々の光学部品として示しているが、それらを単一のレンズに一体化することもできる。

コリメータレンズ２４と対物レンズ２６は、光線２０′、２０″の光軸２８を定める。

光線２０″は情報層１６で反射され、光線２０″と同じ経路を通ってビームスプリッタ２２まで戻り、ここから、反射された光線の少なくとも一部が検知システム３０に向けて送られる。検知システム３０は光を捉えて、１つ又はそれ以上の電気信号に変換する。これらの信号の１つは情報信号３２で、その値は情報層１６から読取った情報を示す。

他の信号は焦点誤差信号３４で、その値は情報層１６上の焦点Ｆと情報層１６との間の高さ方向の軸ずれを示す。焦点誤差信号３４を、対物レンズ２６の軸位置を制御する焦点サーボ制御装置３６への入力として用い、それにより、焦点Ｆが情報層１６の面に実質的に一致するように焦点Ｆの軸位置を制御する。さらに、記録担体１２のセンタリング誤差に対応するために、中央サーボ制御装置を設けて、対物レンズ２６を横方向に移動させることもできる。

さらに、光線２０′、２０″に光学収差を持たせるための光学部品４０を、光線２０′、２０″の経路内に配置する。本実施例では、光学部品４０をコリメータレンズ２４と対物レンズ２６との間に配置する。しかし光学部品４０を、光線２０′、２０″の方向で見て対物レンズ２６の背後に、すなわち対物レンズ２６と光学式記録担体１２との間に配置することもできる。

光学部品４０は、球面収差及び／またはコマ収差等の光学収差を光線２０′、２０″に持たせ、透明層１４に起因する、特に光学式記録担体１２の傾き誤差、又はセンタリング誤差に起因する対応収差を補償する。

光学部品４０は調節可能な収差特性を有しており、この特性は、１つ又はそれ以上の導線を介して光学部品４０に接続された制御システム４２によって制御される。

図２〜図４を参照しつつ、光学部品４０の第１の実施例を以下で説明する。

光学部品４０は、図１では光軸２８である光軸を定める流体チャンバー４６を備える。流体チャンバー４６は、実質的に円柱形状の円周壁５０を有する密封された容器４８に収容されている。しかし、円周壁５０としては他の形状も想定できる。容器４８はさらに、光軸２８を横切る、本実施例においては光軸２８に対して垂直である、下壁５２と上壁５４を備える。円周壁５０が円柱形である場合、下壁５２と上壁５４は円形状である。「下壁」と「上壁」という表現は逆に用いることもでき、すなわち壁５２を「上壁」とし、一方、壁５４を「下壁」とすることもできる。

少なくとも下壁５２と上壁５４を透明とし、図１における光線２０′又は光線２０″が容器４８の下壁５２及び上壁５４を通過できるようにする。円周壁５０を透明な材料で作ることもできるが、円周壁５０は光線２０′、２０″の出入り面としては使われないため、必須ではない。

流体チャンバー４６を、第１の流体５６と第２の流体５８で満たす。

第１流体５６と第２流体５８は、お互いに非混和性である。さらに、第１流体は実質的に電気絶縁性で、第２流体は実質的に導電性である。

第１流体５６と第２流体５８は、流体チャンバーにわたって延在し、光軸を実質的に横切る界面６０に沿って接触している。

第１流体５６はシリコーンオイル又はアルカンとすることができ、これらを本明細書では単純に「オイル」と称する。一方、第２流体は例えば食塩水を含む水である。２つの流体５６、５８を、等しい密度を有するように構成して、向きとは無関係に、すなわち２つの流体５６と４８との間の重力の影響に依存することなく、光学部品４０が機能するようにするのが好適である。これは、第１流体の成分を適切に選択することにより実現できる。この目的のため、例えばアルカン又はシリコーンオイルに分子成分を加えて密度を増やし、食塩水の密度と等しくなるように変性することができる。

第１流体５６と第２流体５８の屈折率は互いに異なるため、界面６０が屈折面として作用する。さらに、第１電極５６の厚みは、約１０μｍ〜２００μｍの範囲、又は数百μｍでよい。

光学部品４０は少なくとも１つの第１電極、図示の実施例では複数の第１電極６２、６４、６６、６８、７０をさらに備える。第１電極６２〜７０を、光軸２８に対して同心円状に配置されたリング状に構成する。

第１電極６２〜７０を、インジウムスズ酸化物のような導電性の透明な材料で形成する。第１電極６２〜７０は容器４８の下壁５２に埋設されており、従って第１流体５４や第２流体５８とは接触していない。他の実施例では、電極６２〜７０を壁５２の内面に蒸着し、ポリエーテル・テトラフルオロエチレン（polyethertetrafluorethylene）等の分離層によって第１流体から離間してもよい。

少なくとも１つの第２電極、本実施例では１つの第２電極７２が、第２の導電性流体５８と接触している。第２電極７２は例えば、第２流体５８に浸されている。

第１電極６２〜７０のそれぞれを電圧源と接続して、電極６２に電圧Ｖ_１を、電極６４に電圧Ｖ_２を、電極６６に電圧Ｖ_３を、電極６８に電圧Ｖ_４を、及び電極７０に電圧Ｖ_５を印加できるようにする。ここで、Ｖ_１〜Ｖ_５は互いに異なるが、電極６２〜７０のうちの２つ又はそれ以上に対してＶ_１〜Ｖ_５を同じにしてもよい。

図２、３に示すように、電極６２〜７０を薄板として構成し、その面を光軸２８に垂直に配置する。さらに電極６２〜７０は、円周壁５０の間で、光軸２８に垂直な実質的に１つの面内に並べて配置する。

１つの第１電極６２〜７０は、図１の制御システム４２によって１つ又は複数の導線４４を介して適宜に制御される。

図２は、電圧Ｖ_１〜Ｖ_５がゼロ又は全て同じ値となる場合である、光学部品の静止状態を示す。この場合、第１流体５６と第２流体５８との間の界面６０は、実質的に平坦又は均一である。

図２に示す動作状態から開始して、例えば、ゼロではない電圧Ｖ_５を第１電極７０に印加すると、電界が発生する。この電界は、第１の電気絶縁性の流体５６を通過し界面６０を通過する方向に励起されており、導電性の第２流体５８に、実質的に界面６０に垂直に作用する。その結果、その部分Ａにおいて電圧Ｖ_５が正負のいずれであるかに応じて、第２流体５８が第１電極に向かって引っ張られるか、又は第１の電極から押し離される。電圧Ｖ_５の大きさにより、第２流体５８を第１流体から押し離したり、第１電極７０に向かってへ引っ張ったりするストロークを決まる。

さらに、例えば電圧Ｖ_２を第１電極６４に印加すると、電極６４に隣接する界面６０の部分Ｂにおける電圧Ｖ_２の正負に応じて、第２流体５８も第１電極から押し離されるか、または第１電極に向かって引っ張られる。従って、電極６２、６４、６６、６８、７０にそれぞれ電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４、Ｖ_５を印加することにより任意形状の屈折界面６０を得ることができ、その結果、界面６０を、光線２０′又は２０″に所望の光学収差を持たせるのに好適な所望の形状に変えることができる。

円周壁５０の間の、流体チャンバー４６の中間部に第１電極６２〜７０を配置することにより、この押し又は引き効果が可能となる。図３は、電圧Ｖ_１〜Ｖ_５を適切に選択して調節した、任意形状の界面６０を示す。

図２〜図４に示した実施例において、電極６２〜７０は、光軸２８に対して同心円状に並んだリングとして構成されているため、対応する電圧Ｖ_１〜Ｖ_５により形成された任意形状の界面６０は、光軸２８に対して回転対称である。

しかしながら、光軸２８に対して回転対称であることも含めて界面６０の形状を所望のものに調節するために、第１電極の数、形状及び／または寸法を別のものにすることも考えられる。

例えば、図２〜図４の実施例における電極の数を増やすために、電極６２〜７０のリングを直線に沿って切断し、半リングとして電極６２〜７０を設計することができる。この場合、得られた１０個の電極は固有の電源を有することができ、したがって１０個の電極に１０通りの異なる電圧を印加できることになり、よって回転対称な界面６０を実現することができる。

図５及び図６に、光学部品４８′の他の実施例を示すが、これは図２〜図４における光学部品４８と第１電極の形状のみが異なるので、光学部品４８′については第１電極に関してのみ説明する。図５及び６に示した要素は、図２〜４に示した要素と等しいか、または同等のものであり、プライムをつけた同じ符号で記す。

光学部品４８′は、３つの第１電極７４、７６、７８を備える。

第１電極７６及び７８を、楕円形状又は長円形状に構成して互いに平行に離間させて配置する。

第１電極７４は、第１電極７６と７８を取り囲み、電極７６と７８から電気的に絶縁されている。電極７４は、下壁５２′の残存部分を埋めている。

電極７４に電圧Ｖ_０＝０、電極７８に電圧Ｖ_１＝Ｖ、及び電極７６に電圧Ｖ_２＝−Ｖを印加すると、界面６０′は図６に示すような形状をとり、従って、光線２０′が光学部品４８′を通過すると、光線２０′に彗星状（cometic）の波面がもたらされる。

前述の実施例以外の実施例や変更体は当業者には明らかであり、特に第１電極の数、形状及び／もしくは寸法を変えたものは、走査デバイス１０において、対応する光学収差を補償するために、光線にもたらせたい光学収差に応じて用いることができる。

光線に光学収差を持たせるための光学部品を備える、記録担体用走査デバイスの概略図である。 光線に光学収差を持たせるための光学部品の第１の実施例の静止状態における側断面の拡大図である。 光学収差を持たせるための第２の例示的な動作状態における、図２の光学部品を示す図である。 図２及び図３の光学部品の、図２における線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 光線に光学収差を持たせるための光学部品の他の実施例の図６における線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。 例示的な動作状態における、図５の光学部品の断面図である。

Claims (8)

1. 光軸を定める光線に光学収差を持たせるための光学部品であって、
   ‐円周壁を有し、かつ内部に第１の流体及び少なくとも第２の流体を有する流体チャンバーであって、前記第１及び第２の流体が非混和性であり、前記第１の流体及び第２の流体が、前記流体チャンバーにわたって延在し、前記光軸を実質的に横切る界面に沿って接触しており、前記第１及び第２の流体が異なる屈折率を有し、前記第１の流体が実質的に電気絶縁性で、かつ、前記第２の流体が実質的に電気導電性であるような流体チャンバーと、
   ‐前記第２の流体から分離した少なくとも１つの第１の電極と、前記第２の流体に作用する少なくとも１つの第２の電極と、
   を備え、
   前記第１と第２の電極との間に印加した電圧に応じて前記界面の形状は変化し、
   前記第１の電極は複数の第1電極をさらに有し、該複数の第1電極は互いに電気的に絶縁され、
   前記複数の第1の電極及び前記少なくとも１つの第２の電極は、前記光軸を横切る前記流体チャンバーの壁内において、前記光軸に対して実質的に垂直な一つの面をなすように並べて配置され、
   ‐前記複数の第１電極の配置は、前記流体チャンバの円周壁から離れた場所に位置する前記界面の中央部分に対して実質的に垂直な電場を発生させるようなものであり、前記の複数の第１電極の配置により、前記複数の第１電極と前記少なくとも１つの第２の電極との間に印加する電圧に応じて、前記の界面の中央部分が実質的に前記光軸の方向に動く、
   ことを特徴とする光学部品。
2. 請求項１に記載の光学部品において、前記少なくとも１つの第１電極を薄板として構成し、その面を前記光軸に垂直に配置したことを特徴とする光学部品。
3. 請求項１に記載の光学部品において、前記少なくとも１つの第２の電極と前記第１電極のうちの１つのとの間に異なる電圧を印加することができるように、前記第１の電極を別々に電圧源に接続したことを特徴とする光学部品。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光学部品において、前記第１の電極のそれらの寸法及び／又は形状が互いに異なることを特徴とする光学部品。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光学部品において、前記少なくとも１つの第１電極をリング状に構成して成ることを特徴とする光学部品。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光学部品において、前記第１電極を、前記光軸に対して同心円状に並んだリングとして構成したことを特徴とする光学部品。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光学部品において、前記複数の第１電極が、少なくとも３つの第１電極を有し、それらのうち２つの第１電極を楕円形状又は長円形状に構成して互いに平行に離間して配置し、前記２つの電極の間の残存部分を埋める３つ目の第１電極で前記２つの第１電極を取り囲んでいることを特徴とする光学部品。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光学部品を有する光学式記憶媒体の走査手段。

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