JP5075681B2 - 対物レンズ - Google Patents

Description

本発明は、例えばＣＤ（Compact Disc：ＣＤ−ＲなどのＣＤも含む）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）やブルーレイやＨＤＤＶＤなどの光記録媒体に対応できる記録再生装置に用いられうる汎用の対物レンズ、光ピックアップ装置に関する。

特にブルーレイなどの高い開口数で記録または再生する、対物レンズ、光ピックアップ装置に関する。

従来より、ＣＤやＤＶＤ用の光ピックアップの対物レンズとしては、主として、プラスチックの単玉レンズが用いられてきた。次世代ＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）であるブルーレイディスクの規格では、ＮＡが０．８５と定まっており、通常ガラスまたはプラスチックの単玉レンズが用いられる。

しかし、このような単玉プラスチックレンズで高ＮＡを実現しようとすると、温度変化によるビームスポットでの球面収差の発生が顕著となり、例えば焦点距離１．４１ｍｍのプラスチック対物レンズにおける１５℃変化での球面収差の変化量は約８０ｍλｒｍｓとなり、マレシャル限界値である７０ｍλｒｍｓを超えてしまう。従来のＤＶＤではＮＡが０．６０〜０．６７程度であったため温度変化により発生する球面収差量は比較的小さくこの球面収差をキャンセルする必要はなかったが、ＮＡ０．８１以上の高ＮＡのレンズになると、球面収差がＮＡの４乗に比例することもあって、温度変化により発生する球面収差量が大きくなるためである。したがって、温度変化により発生する前記球面収差のをキャンセルする必要がある。

なお、ガラスレンズを用いれば前記温度変化による収差変化はプラスチックレンズの約数十分の一となって生じないが、高コストで生産性に劣るという問題があるため、プラスチック対物レンズをブルーレイディスクに適用することが望まれている。

そこで、従来、特許文献１に記載のように、光ピックアップ光学系におけるコリメートレンズを光軸方向に移動させて温度変化時に発生する対物レンズの球面収差をキャンセルする方法が提案されている。

特開2008-4169

ブルーレイディスクには単層と2層の2種類のディスクがあり、単層ディスクは単一の記録層を有し透明基板厚みは０．１００ｍｍであり、2層ディスクは２つの記録層を有しそれぞれの透明基板厚みは０．０７５ｍｍと０．１００ｍｍと規格により定められている。２層ディスクの場合、前記基板厚みの差０．０２５ｍｍによって約０．２５λｒｍｓの大きな球面収差が発生するが、コリメーターレンズやビームエキスパンダーなどを移動させて、対物レンズへ入射する光線の状態を、収束光入射から平行光入射や発散光入射などに変化させることにより球面収差を補正して各層に対して記録あるいは再生を行っている。

このような光学系によって、２層ディスクにおける球面収差の差や温度変化の際のプラスチック対物レンズの球面収差を補正すると、対物レンズから見た、いわゆる物体距離が変化するため、対物レンズの画角特性（像高特性）が変化してしまう。通常、２層ディスクに対応した対物レンズにおいては、２層ディスクの中間厚みに相当する厚み０．８７５ｍｍで設計するが、そうするとある条件下での画角特性が望ましい値にならず、後述するレンズチルト特性が望ましい値にならなくなってしまう。このことを、図４から図７の比較例により以下詳述する。

ピックアップ光学系においては、トラッキングサーボの際に対物レンズが光軸と垂直な方向に移動した際にも、ピックアップ光学系の収差が変動しないようにするために対物レンズへの入射光は平行光、つまり対物レンズにとっての物体距離を∞、としていることが特に開口数（＝ＮＡ）が大きい場合には多い。よって透明基板の厚さ０．０７５ｍｍと０．１００ｍｍの２層ディスクに対応したブルーレイディスク用対物レンズの場合には中間のディスク厚に相当する０．０８７５ｍｍで∞系の対物レンズとしておくことが考えられる。このようなレンズを用いて、たとえば、透明基板の厚さ０．０７５ｍｍの場合には対物レンズへの入射光を収束光とし、透明基板の厚さ０．１００ｍｍの場合には対物レンズへの入射光を発散光とし、かつ前記収束光と発散光の平行光からのズレ度合いをほぼ同じにすることができて、各記録層において良好な波面収差の状態で記録または再生が可能となる。

図１に厚さ０．０７５ｍｍと０．１００ｍｍの２層ディスクに対応したブルーレイディスク用プラスチック対物レンズを使用した代表的なピックアップ光学系の例を示す。半導体レーザ１から射出されたレーザー光は，コリメータレンズ２に入射して平行光となり、開口制限部材３を経て、対物レンズ４に入射し、レーザー光がブルーレイディスクである光ディスク５の図示しない情報記録面上に集光している。なお、この図においては反射鏡などの反射部材やプリズムなどを省略し、光線を直線化して表している。

レーザ光源としての半導体レーザ８は、ブルーレイディスクの規格に則り、青紫色帯域（４０５ｎｍ）のレーザ光を発する。コリメータレンズ２は、半導体レーザ１から発してレーザ光の光路中における当該レーザ光が発散光として進行する箇所に設置され、標準位置に在るときにはレーザ光を発散光から平行光に変換するように屈折させる正レンズである。このコリメータレンズ２は、図示しないコリメートレンズアクチュエータにより、光軸方向（即ち、半導体レーザ１から発したレーザ光のビーム軸の方向）にのみ進退及び位置調整可能に、保持されている。対物レンズ４は、コリメートレンズ２を透過したレーザ光を、光ディスク５の記録層に集束させる集光レンズ（正レンズ）である。この対物レンズ７は、ブルーレイディスクの規格に則って作成されたプラスチック単玉レンズであり、よって、その開口数（ＮＡ）は０．８５である。

ここで、透明基板の厚さ０．０８７５ｍｍで平行光入射（∞系）の対物レンズの場合につき説明する。焦点距離は２５℃の状態で１．４１１７６５ｍｍである。この場合の対物レンズのデータ及び波面収差の計算結果を図４に示す。なお図４における各記号の意味は次の通りである。
ＳＡ３：３次球面収差
ＳＡ５：５次球面収差
ＳＡ７：７次球面収差
ＳＡ９：９次球面収差
ＡＳ３：３次非点収差
ＣＯＭＡ３：３次コマ収差

また画角０．３度の画角特性とは、光軸に対して０．３度の角度を持った光が対物レンズに入射ときの特性、レンズチルト０．３度のレンズチルト特性とは対物レンズが０．３度傾いたときの波面収差特性、ディスクチルト０．３度のディスクチルト特性とは対物レンズが０．３度傾いたときの波面収差特性を表わす。なお図４に示すように対物レンズの屈折率は１．５３で、これは４０５ｎｍで２５℃のときの屈折率である。またこの対物レンズの屈折率の変化量の温度特性は −０．０００１１／℃ である。一般的にレンズ用のプラスチックの屈折率の変化量の温度特性は−０．０００１／℃〜−０．０００１２／℃ 程度である。またディスクの透明基板の屈折率は１．６２で、屈折率の変化量の温度特性は−０．０００１１／℃である。

図４に示す対物レンズはこの状態で、つまり２５℃でディスクの透明基板厚み０．０８７５ｍｍの状態でレンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３が−０．０２８６３４７λＲＭＳであり、ディスクチルト０．３度時のＣＯＭＡ３が０．０２８５１７９λＲＭＳであってほぼ等しい。なおこれは画角０．３度でのＣＯＭＡ３がー０．０００００３５λＲＭＳとほとんどゼロに近い、いわゆる正弦条件を守った状態で設計しているがために、ディスクチルト時のＣＯＭＡ３とレンズチルト時のＣＯＭＡ３が等しいのである。この状態では、例えば傾いたディスクや面ブレディスクなどを記録または再生するときに、対物レンズチルトを行なえば、つまりチルトアクチュエータなどを使用して対物レンズを光軸に対して傾いた状態にすれば、ディスクチルトでのＣＯＭＡ３とレンズチルトでのＣＯＭＡ３がキャンセルしあって良好なピックアップ光学系全体としては良好な波面収差の状態とすることが出来る。

例えば、ディスクチルトでのＣＯＭＡ３の半分しかレンズチルトのＣＯＭＡ３が発生しないような場合には、ディスクチルトが０．５度の場合にはレンズチルトを１．０度も行なわないとＣＯＭＡ３がキャンセルされないので、レンズチルトのダイナミックレンジを十分に大きく確保する必要が生じて、レンズチルトを大きな量、行なっても大丈夫なように光ピックアップの構造や寸法を考慮する必要があるために、光ピックアップが大型化してしまったりチルトアクチュエータ機構に工夫を要したりする欠点が生じる。

２５℃の状態で、前記対物レンズを用いて、２層ディスクの厚みの厚い方を記録または再生するときあるいは単層ディスクを記録または再生するとき、すなわち透明基板の厚みが０．１００ｍｍのときのレンズデータと波面収差特性を図５に示す。この場合、対物レンズにとっての物体距離が３３８．９９２８ｍｍの状態となる。すなわち、図３に示すように、ステッピングモーターやピエゾ素子からなるコリメートレンズアクチュエータにより、コリメータレンズ２が図１の状態に比べてレーザー側に移動し、レーザー光線が発散光の状態で対物レンズに入射する。

同様に２５℃の状態で、前記対物レンズを用いて、２層ディスクの厚みの薄い方を記録または再生するとき、すなわち透明基板の厚みが０．０７５ｍｍのときのレンズデータと波面収差特性を図６に示す。この場合、対物レンズにとっての物体距離が−３２３．９４０６ｍｍの状態となる。すなわち、図２に示すように、コリメートレンズアクチュエータにより、コリメータレンズ２が図１の状態に比べてディスク側に移動し、レーザー光線が収束光の状態で対物レンズに入射する。
次に、５５℃の状態で、前記対物レンズを用いて２層ディスクの厚みの厚い方を記録または再生するときあるいは単層ディスクを記録または再生するとき、すなわち透明基板の厚みが０．１００ｍｍのときのレンズデータと波面収差特性を図７に示す。対物レンズにとっての物体距離は１６３．３２９５ｍｍの状態、すなわち発散光が入射している。ここで図７に示すように、画角０．３度のときのＣＯＭＡ３は０．０２４９３２λＲＭＳで、レンズチルト０．３度のときのＣＯＭＡ３は−０．００７７５００λＲＭＳで、ディスクチルト０．３度のときのＣＯＭＡ３は０．０３２５４１９λＲＭＳである。つまりＣＯＭＡ３において１％の精度で、（画角０．３度のときのＣＯＭＡ３）＝（レンズチルト０．３度のときのＣＯＭＡ３）＋（ディスクチルト０．３度のときのＣＯＭＡ３）という式が成り立っている。

ここでレンズチルト０．３度のときのＣＯＭＡ３はディスクチルト０．３度のときのＣＯＭＡ３の０．２３８倍しかない。つまり、ディスクチルト０．３度あった場合に、そのことにより発生したＣＯＭＡ３をレンズチルトでキャンセルしようとするとき、レンズチルトは１．２６０度もする必要が生じてしまう。このことは、レンズチルトを多大な量できうるようにスペースを確保する必要性が生じたり、レンズチルトさせるためのチルトアクチュエータの機構が複雑化するなどの欠点が生じる。つまりレンズチルトのときのＣＯＭＡ３の感度がディスクチルトのときのＣＯＭＡ３の感度に比べて０．２３８倍と低くなるためにこのような不具合が生じる。

本発明の目的はかかる問題を解消し、ＮＡ０．８１以上のプラスチック対物レンズにおいても使用温度範囲において、２層ディスクの両方の厚みにおいて、良好なレンズチルト特性を有するプラスチック対物レンズを提供することにある。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
すなわち、コリメートレンズを光軸方向に移動させることにより、薄い透明基板厚ｔ１の第１層記録層と厚い透明基板厚ｔ２の第２記録層を有する光情報記録媒体を記録または再生可能な光ピックアップ用の対物レンズであって、開口数が０．８１以上であり、プラスチック材料からなり、常温（２５±３℃）で、ｔ２＋Δｔ（０．００３≦Δｔ≦０．０２５）（ｍｍ）の透明基板厚みにおいて、前記対物レンズのレンズチルト時に発生する３次コマ収差量と前記レンズチルト角度と同一角度量だけディスクをチルトさせた時に発生する３次コマ収差量とが等しくなるポイントが存在することを特徴とする。

また、半導体レーザーと、前記半導体レーザーから発散光として入射したレーザ光の発散角を変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを透過したレーザ光を前記コリメートレンズを光軸方向に移動することにより薄い透明基板厚ｔ１の第１層記録層と厚い透明基板厚ｔ２の第２記録層を有する光情報記録媒体のいずれかの記録層に集光可能な対物レンズと、からなる光ピックアップ装置において、前記対物レンズは、開口数が０．８１以上であり、プラスチック材料からなり、常温（２５±３℃）で、ｔ２＋Δｔ（０．００３≦Δｔ≦０．０２５）（ｍｍ）の透明基板厚みにおいて、前記対物レンズのレンズチルト時に発生する３次コマ収差量と前記レンズチルト角度と同一角度量だけディスクをチルトさせた時に発生する３次コマ収差量とが等しくなるポイントが存在することを特徴とする光ピックアップ装置。

本発明によりＮＡ０．８１以上のプラスチック対物レンズにおいても使用温度範囲において２層ディスクの両方の厚みにおいても良好なレンズチルト特性を有するプラスチック対物レンズを得ることができる。

以下、図面に基づき本発明にかかわる対物レンズおよび光ピックアップ装置の実施の形態について説明する。図１に厚さ０．０７５ｍｍと０．１００ｍｍの２層ディスクに対応したピックアップ光学系の例を示す。

半導体レーザ１から射出されたレーザー光は，コリメータレンズ２に入射して平行光となり、開口制限部材３を経て、対物レンズ４に入射し、レーザー光がブルーレイディスクである光ディスク５の図示しない情報記録面上に集光している。なお、この図においては反射鏡などの反射部材やプリズムなどを省略し、光線を直線化して表している。

レーザ光源としての半導体レーザ８は、ブルーレイディスクの規格に則り、青紫色帯域（４０５ｎｍ）のレーザ光を発する。コリメータレンズ２は、半導体レーザ１から発してレーザ光の光路中における当該レーザ光が発散光として進行する箇所に設置され、標準位置に在るときにはレーザ光を発散光から平行光に変換するように屈折させる正レンズである。このコリメータレンズ２は、図示しないコリメートレンズアクチュエータにより、光軸方向（即ち、半導体レーザ１から発したレーザ光のビーム軸の方向）にのみ進退及び位置調整可能に、保持されている。対物レンズ４は、コリメートレンズ２を透過したレーザ光を、光ディスク５の記録層に集束させる集光レンズ（正レンズ）である。この対物レンズ７は、ブルーレイディスクの規格に則って作成されたプラスチック単玉レンズであり、よって、その開口数（ＮＡ）は０．８５である。

図８に本発明の第１の実施例のレンズデータを示す。温度２５℃で対物レンズの屈折率は１．５３で焦点距離は１．４１１７６５ｍｍである。本第１実施例は、この図８に示す状態で、温度２５℃で透明基板厚み０．１１２５ｍｍ（Δｔ＝０．０１２５）で物体距離１６８．０４１５ｍｍにおいて正弦条件を満足するように設計されているため、画角０．３度の時のＣＯＭＡ３が−０．０００１５９９λＲＭＳと、ほとんどゼロに近い値である。このためレンズチルト時のＣＯＭＡ３は−０．０３６０３２６λＲＭＳとディスクチルト時の０．０３５７６３λＲＭ90Ｓとほとんど等しい値となっている。

図１０に透明基板厚み０．１００ｍｍで、温度が５５℃のときの状態を示す。物体距離151.1078ｍｍの発散光入射において画角０度の波面収差が最小となる。画角０．３度時のＣＯＭＡ３は０．００３５８９７λＲＭＳである。レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３は−０．０２７６０３４λＲＭＳでディスクチルト０．３度時は０．０３１１３２１λＲＭＳなので、レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値はディスクチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値の０．８８７倍である。比較例ではこの値は０．２３８倍であったので本発明の効果が見られる。なお温度５５℃では、プラスチック材料の線膨張係数に基づいて曲率半径の値や非球面係数や中心厚が変化するが、その影響による波面収差値への影響はわずかであるので、屈折率が変化した影響による波面収差値のみを計算している。
なお、図９に示す透明基板厚み０．０７５mmで２５℃の状態では、レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３は−０．０５６０９３λＲＭＳでディスクチルト０．３度時は０．０２３２２９３λＲＭＳなので、レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値はディスクチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値の２．４１５倍となり、比較的良好な値を保っている。もし、このレンズチルト時のＣＯＭＡ３の感度が高すぎて困る場合には例えば以下の第２実施例のようにすればよい。第２実施例では後述するように２．０３７倍にまで軽減されている。

図１１に本発明の第２の実施例のレンズデータを示す。温度２５℃で対物レンズの屈折率は１．５３で焦点距離は１．４１１７６５ｍｍである。本第２実施例は、この図１１に示す状態で、温度２５℃で透明基板厚み０．１０３ｍｍ（Δｔ＝０．００３）で物体距離３００ｍｍにおいて正弦条件を満足するように設計されているため、画角０．３度の時のＣＯＭＡ３が−０．００００６８２λＲＭＳと、ほとんどゼロに近い値である。このためレンズチルト時のＣＯＭＡ３は−０．０３３２８８３λＲＭＳとディスクチルト時の０．０３３１０４２λＲＭＳとほとんど等しい値となっている。

図１３に透明基板厚み０．１００ｍｍで、温度が５５℃のときの状態を示す。物体距離164.573ｍｍの発散光入射において画角０度の波面収差が最小となる。画角０．３度時のＣＯＭＡ３は０．０１１５１９４λＲＭＳである。レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３は−０．０２０３０３８λＲＭＳでディスクチルト０．３度時は０．０３１６９５５λＲＭＳなので、レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値はディスクチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値の０．６４１倍である。比較例ではこの値は０．２３８倍であったので本発明の効果が見られる。なお図１２に示す透明基板厚み０．０７５mmで２５℃の状態では、レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３は−０．０４８１３５２λＲＭＳでディスクチルト０．３度時は０．０２３６２５９λＲＭＳなので、レンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値はディスクチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値の２．０３７倍であり、第１実施例に比べて軽減されている。

第１実施例の０．１１２５ｍｍよりも更に厚い厚み、例えば０．１２５ｍｍ（Δｔ＝０．０２５）、２５℃で画角特性でのＣＯＭＡ３が出ないようにした場合には、第１実施例０．１１２５ｍｍ、第２実施例０．１０３ｍｍの関係から、透明基板厚み０．０７５mmで２５℃の状態においてはレンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値はディスクチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値の約３倍程度になると見積もれる。なお、レンズチルト時のＣＯＭＡ３の感度は基板厚が薄くなるほど、また低温になるほど大きくなる。例えば５℃や０℃で使用するときには前述した感度よりも更に高い感度なってくる。そのことも考え合わせると、透明基板厚み０．１２５ｍｍ、２５℃で画角特性でのＣＯＭＡ３が出ないようにするのが限度であると考えられる。なおこの場合においては、透明基板厚み０．１００ｍｍ、５５℃でのレンズチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値はディスクチルト０．３度時のＣＯＭＡ３の絶対値の約１．１倍程度となると見積もれるので十分なレンズチルト感度を有している。

本発明において、0.003≦Δｔと規定されるが、この下限を超えると、ピックアップの使用環境温度が上昇したときにディスク表面からより深い層（ｔ＝0.100mm）で良好なレンズチルト特性を得られなくなる。すなわち、レンズチルト感度が低すぎて、チルト角を大きくしないとディスクチルトのコマを補正できない。一方、Δｔ≦0.025と規定されるが、この上限を超えると、ピックアップの使用環境温度が低下したときに ディスク表面からより浅い層（ｔ＝0.075mm）で良好なレンズチルト特性を得られなくなるすなわち、レンズチルト感度が高すぎてチルトアクチュエータの制御が困難となる。なお、上述した理由を考慮すると、Δｔの上限は０．０１５以内であることが望ましい。
以上本発明の実施例においては、良好なレンズチルトのＣＯＭＡ３感度が得られている。

対物レンズを搭載したブルーレイピックアップ光学系を示す図で対物レンズへの入射光線が平行光の場合の図である。 対物レンズを搭載したブルーレイピックアップ光学系を示す図で対物レンズへの入射光線が収束光の場合の図である。 対物レンズを搭載したブルーレイピックアップ光学系を示す図で対物レンズへの入射光線が発散光の場合の図である。 比較例で温度２５℃で透明基板厚み０．０８７５ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 比較例で温度２５℃で透明基板厚み０．１００ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 比較例で温度２５℃で透明基板厚み０．０７５ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 比較例で温度５５℃で透明基板厚み０．１００ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 本発明の第１実施例で温度２５℃で透明基板厚み０．１１２５ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 本発明の第１実施例で温度２５℃で透明基板厚み０．０７５ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 本発明の第１実施例で温度５５℃で透明基板厚み０．１００ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 本発明の第２実施例で温度２５℃で透明基板厚み０．１０３ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 本発明の第２実施例で温度２５℃で透明基板厚み０．０７５ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。 本発明の第２実施例で温度５５℃で透明基板厚み０．１００ｍｍの時のレンズデータと波面収差特性計算値。

符号の説明

１ レーザー
２ コリメータレンズ
３ 絞り
４ 対物レンズ
５ ディスクの透明基板

Claims (2)

1. コリメートレンズを光軸方向に移動させることにより、薄い透明基板厚ｔ１の第１層記録層と厚い透明基板厚ｔ２の第２記録層を有する光情報記録媒体を記録または再生可能な光ピックアップ用の対物レンズであって、
   開口数が０．８１以上であり、プラスチック材料からなり、常温（２５±３℃）で、ｔ２＋Δｔ（０．００３≦Δｔ≦０．０２５）（ｍｍ）の透明基板厚みにおいて、前記対物レンズのレンズチルト時に発生する３次コマ収差量と前記レンズチルト角度と同一角度量だけディスクをチルトさせた時に発生する３次コマ収差量とが等しくなるポイントが存在することを特徴とする対物レンズ。
2. 半導体レーザーと、前記半導体レーザーから発散光として入射したレーザ光の発散角を変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを透過したレーザ光を前記コリメートレンズを光軸方向に移動することにより薄い透明基板厚ｔ１の第１層記録層と厚い透明基板厚ｔ２の第２記録層を有する光情報記録媒体のいずれかの記録層に集光可能な対物レンズと、からなる光ピックアップ装置において、
   前記対物レンズは、開口数が０．８１以上であり、プラスチック材料からなり、常温（２５±３℃）で、ｔ２＋Δｔ（０．００３≦Δｔ≦０．０２５）（ｍｍ）の透明基板厚みにおいて、前記対物レンズのレンズチルト時に発生する３次コマ収差量と前記レンズチルト角度と同一角度量だけディスクをチルトさせた時に発生する３次コマ収差量とが等しくなるポイントが存在することを特徴とする光ピックアップ装置。

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