JP5223236B2

JP5223236B2 - 対物レンズ及び光ピックアップ装置

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Publication number: JP5223236B2
Application number: JP2007127954A
Authority: JP
Inventors: 国彦高
Original assignee: Konica Minolta Advanced Layers Inc
Current assignee: Konica Minolta Advanced Layers Inc
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-05-14
Also published as: US20080285422A1; JP2008282507A; CN101308242B; CN101308242A

Description

本発明は、光源から出射される光束により情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置及び光ピックアップ装置用の対物レンズに関する。

従来、光ピックアップ装置が高密度化されるのに伴い、レーザー光の波長は短く、対物レンズ等の光学素子の開口数は大きくなってきている。開口数が大きくなると対物レンズの曲率も大きくなるため、これに伴い対物レンズの外周部におけるレーザー光の入射角度が大きくなる。例えば、４０５［ｎｍ］の波長のレーザー光を用いる光ピックアップ装置においては、一般に、対物レンズの開口数は０．６〜０．９と大きくなっており、この対物レンズに対するレーザー光の最大入射角度は５０〜７０［°］となっている。

ところで、入射角度が大きくなると対物レンズの外周部におけるレーザー光の反射量が増えるため、当該部での透過光量が減少し、信号の再生における信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低下してしまう。そこで、近年の対物レンズには、レンズ表面に反射防止膜が設けられており、低反射帯域を増やすことで、対物レンズの外周部での透過率の低下を補うようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１６０９０６号公報

しかしながら、効果的に低反射帯域を増やすべく単純に反射防止膜を多層構成とすると、製造コストが高くなってしまう。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、従来に比べ、製造コストを維持しながらレンズ全体の透過率を向上することのできる対物レンズ及びこれを備える光ピックアップ装置の提供を課題とする。

前記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
光源から出射される光束により情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置用の対物レンズであって、
開口数が０．６以上０．９以下であり、
プラスチック成形された基材と、前記基材における前記光源側の表面に少なくとも１層で形成された反射防止膜とを備え、
前記反射防止膜は、有効光束の外縁が透過する外周部の充填密度が、光軸上の光線が透過する中央部の充填密度に対して０．３８倍以上０．９４倍以下であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の対物レンズであって、
前記光源の波長λが３５０≦λ≦４５０［ｎｍ］の範囲であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の対物レンズであって、
開口数が０．８以上０．９以下であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の対物レンズであって、
前記外周部表面の法線と光軸とのなす角度が４８以上７２［°］以下であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の対物レンズであって、
前記外周部表面の法線と光軸とのなす角度が６０以上７２［°］以下であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の対物レンズであって、
前記反射防止膜が１層以上３層以下で形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の対物レンズであって、
前記反射防止膜の少なくとも１層は、波長５００［ｎｍ］の光に対する屈折率ｎが１．３≦ｎ＜１．５５である低屈折率材料から形成されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の対物レンズであって、
前記低屈折率材料がＳｉＯ₂を主成分とする材料であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の対物レンズであって、
前記外周部の充填密度が、前記中央部の充填密度に対して０．５３倍以上０．７５倍以下であることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の対物レンズであって、
前記反射防止膜は、有効光束の外縁が透過する外周部の屈折率が、光軸上の光線が透過する中央部の屈折率に対して０．８倍以上０．９８倍以下であることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の対物レンズであって、
前記外周部の屈折率が、前記中央部の屈折率に対して０．８５倍以上０．９２倍以下であることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、光ピックアップ装置であって、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の対物レンズを備えることを特徴とする。

本発明によれば、反射防止膜の層数を従来程度として製造コストを維持したまま、曲率の大きい対物レンズの外周部における反射を抑制し、レンズ全体の透過率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明に係る光ピックアップ装置１の概略構成を示す概念図である。
この図に示すように、光ピックアップ装置１は、情報記録媒体Ｒの情報記録面Ａへの情報の記録や、情報記録面Ａに記録された情報の読み出し・再生を行うものであり、レーザーダイオード１１を有している。なお、情報記録媒体ＲとしてはＢＤ（ブルーレイディスク）やＨＤ−ＤＶＤを用いることができ、本実施の形態においては、情報記録媒体ＲはＢＤとなっている。また、この情報記録媒体Ｒの保護層の厚さは０．１［ｍｍ］となっている。

レーザーダイオード１１は、本発明におけるレーザー光源であり、情報記録媒体Ｒを用いて情報の記録／再生を行う際に、波長λ１（３５０≦λ１≦４５０［ｎｍ］）のレーザー光を出射するようになっている。なお、本実施の形態においては、波長λ１は４０５［ｎｍ］となっている。

レーザーダイオード１１から出射されるレーザー光の光軸Ｌの方向には、図１中の下側から上側に向けてコリメータレンズ１２、偏光ビームスプリッタ１３、１／４波長板１４、対物レンズ１５が順に並んで配設されている。対物レンズ１５には、当該対物レンズ１５を図１中の上下方向に移動させる２次元アクチュエータ（図示せず）が配されている。対物レンズ１５との対向位置には、情報記録媒体Ｒが配されるようになっている。

また、偏光ビームスプリッタ１３に対し、図１中の右側には凸レンズ１６及び光検出器１７が順に並んで配されている。

続いて、光ピックアップ装置１における動作・作用を簡単に説明する。
情報記録媒体Ｒへの情報の記録時や情報記録媒体Ｒ中の情報の再生時には、レーザーダイオード１１が波長λ１のレーザー光を出射する。このレーザー光は、始めにコリメータレンズ１２により平行光に変換された後、偏光ビームスプリッタ１３によってＰ偏光成分の光のみが透過され、直線偏光（Ｐ偏光）に変換される。

次に、このＰ偏光のレーザー光は、１／４波長板１４で右回りの円偏光に変換された後、対物レンズ１５で集光され、様々な入射角度で情報記録媒体Ｒの情報記録面Ａに入射し、集光スポットを形成する。また、対物レンズ１５は、その周辺に配置された前記２次元アクチュエータによってフォーカシングやトラッキングを行う。

次に、集光スポットを形成した円偏光のレーザー光は、情報記録媒体Ｒの情報記録面Ａで反射されて左回りの円偏光に変換され、再び対物レンズ１５を通過した後、１／４波長板１４によりＳ偏光成分のみの直線偏光（Ｓ偏光）に変換される。次に、このＳ偏光のレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１３により全反射され、凸レンズ１６により光検出器１７に集光される。そして、光検出器１７の出力信号を用いることにより、情報記録媒体Ｒ内の情報が再生される。

続いて、対物レンズ１５の構成について詳細に説明する。
対物レンズ１５は本発明に係る光学素子であり、図２に示すように、本実施の形態においては基材１５０を１つ備えた単レンズとなっている。また、この対物レンズ１５は曲率が大きく、開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）も大きなレンズであり、本実施の形態においては０．５５≦ＮＡ≦０．９となっている。

基材１５０は、本実施の形態においては、２つの光学面がともに非球面となっている。なお、各光学面には、従来より公知の回折構造が設けられていても良い。

この基材１５０は、短波長の青紫色レーザー光に対する耐光性及び耐熱性に優れるプラスチック材料によって成形されている。このようなプラスチック材料としては、α-オレフィン及び環状オレフィンの共重合体からなる樹脂と、耐光安定剤とを有する樹脂組成物等がある。

基材１５０の光源側の面、つまり図２における入射側の面には、少なくとも１層から成る反射防止膜１５１が設けられ、光学機能面１５２を形成している。ここで、反射防止膜１５１の層数としては、特に限定はされないが１〜３層であることが好ましい。

反射防止膜１５１は、有効光束の外縁が透過する外周部Ｄにおける屈折率ｎ_Dの、光軸上の光線が透過する中央部Ｃにおける屈折率ｎ_Cに対する比Ｒ_n＝ｎ_D／ｎ_CがＲ_n＜１．０となるよう形成されている。なお、外周部Ｄは、ＮＡを表現する光軸と光束との開き角に対応する位置でもある。

また、反射防止膜１５１は、外周部Ｄにおける充填密度Ｐ_Dの、中央部Ｃにおける充填密度Ｐ_Cに対する比Ｒ_P＝Ｐ_D／Ｐ_CがＲ_P＜１．０となるよう形成されている。

ここで、充填密度とは、薄膜の実質部分の体積を、実質部分の体積と薄膜中の隙間体積との和で割ったもので、例えば、「光学薄膜と成膜技術」（李正中著，株式会社アルバック訳，アグネ技術センター発行）に記載のように、波長２．９７［μｍ］における水蒸気の吸収を利用して、下記の式から求める。

ここで、Ｐ：充填密度
Ｔ_o：真空中で水蒸気を十分吸収した後の透過率
Ｔ：大気中で水蒸気を十分吸収した後の透過率
α_W：水の吸収係数（＝１．２７×１０⁴［ｃｍ^-1］）
ｄ_f：薄膜の厚さ［ｃｍ］
である。

以上の反射防止膜１５１の少なくとも１層は、波長５００ｎｍの光に対する屈折率ｎが、１．３≦ｎ＜１．５５の範囲である低屈折率材料から形成されている。
ここで、低屈折率材料としては、ＳｉＯ₂を主成分とする材料が特に好ましい。

このような反射防止膜１５１を形成するには、蒸着やスパッタリング、ＣＶＤ、塗布などの方法を用いることができる。なお、本実施の形態では真空蒸着法を用いている。以下に本蒸着方法の概略を説明するが、本発明の対物レンズ１５は本蒸着方法によって製造された物に限定されない。

図３に真空蒸着装置の概略構成を示す。本図において真空蒸着装置２は、真空槽２１と、真空槽２１の天井部に回転自在に設置された回転軸２２と、回転軸２２に固定された回転板２３と、真空槽２１の中心から側面側に少し寄せて回転板２３の下方に設置された坩堝２４とを備えている。回転板２３の下面には、把持部材２５（図４参照）を介して基材１５０が複数配設されるようになっている。

図４に、把持部材２５に取り付けられた基材１５０の概略図（図３のＥ部拡大図）を示す。把持部材２５は板状部材２５Ａ，２５Ｂを備えており、基材１５０は板状部材２５Ａ，２５Ｂに外周のフランジ部を軸方向に全周挟まれて固定される。そして、板状部材２５Ａ，２５Ｂが回転板２３へ着脱自在に取り付けられることにより、基材１５０は回転板２３に取り付けられる。

蒸着を実施する際には、まず、複数の基材１５０が、蒸着面を下方にして回転板２３に取り付けられる。そして、回転板２３を介して回転軸２２によって基材１５０を回転させながら、坩堝２４から蒸発する蒸着材料を基材１５０の蒸着面に付着させる。

上記の真空蒸着装置２によれば、反射防止膜１５１の外周部Ｄに対応する基材１５０の外周部Ｇと板状部材２５Ａの突端Ｆとを結ぶ線が光軸の平行光に対してなす角度θ１（図４参照）の設定を変えることにより、形成される反射防止膜１５１の外周部Ｄの屈折率ｎを任意に変化させることができる。θ１の代わりに基材１５０の外周部Ｇと板状部材２５Ａとの距離ｔや板状部材２５Ａの厚みｈを変えても、同じく反射防止膜１５１の外周部Ｄの屈折率ｎを任意に変化させることができる。
表１に、ＳｉＯ₂単層の場合における、３種類のθ１に対する中央部Ｃ及び外周部Ｄの各屈折率ｎと、中央部Ｃの屈折率ｎに対する外周部Ｄの屈折率ｎの比とを示す。本表によれば、θ１を大きくすることで、中央部Ｃの屈折率ｎは一定のまま、外周部Ｄの屈折率ｎを大きくできることが分かる。

なお、基材１５０と反射防止膜１５１との間には、基材１５０に対する反射防止膜１５１の密着性を向上させるため、従来より公知の下地層を介在させても良い。また、反射防止膜１５１は表面側に防汚層や撥水層を備えても良いし、静電気による塵、埃等の付着を防止するための帯電防止層を備えても良い。

以下に、実施例および比較例を挙げることにより、本発明をさらに具体的に説明する。
＜対物レンズの構成＞
上記実施の形態における対物レンズ１５の実施例として、下記の表２に示すＮＡの異なる５種類のレンズ基材１５０に対し、表３に示す３層構成の反射防止膜１５１を入射面側に施した対物レンズ１５を形成した。基材１５０の形状としては、従来より公知の形状を用いた。

反射防止膜１５１は、中央部Ｃの屈折率ｎに対する外周部Ｄの屈折率ｎの比Ｒ_nが０．８〜０．９８の５種類と、これに比較例として従来構成のＲ_n＝１．０を加えた６種類（表４参照）とを形成した。

なお、表２中の「面角度」とは、図２における、有効光束の外縁が透過する反射防止膜１５１の外周部Ｄにおける面の法線と、光軸とのなす角度θである。また表３では、層Ｎｏの小さい方（膜厚の薄い方）を基材１５０側としてある。同じく表３では、低屈折率材料のＳｉＯ₂と組合せる材料としてＺｒＯ₂の例しか挙げていないが、他に酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化タンタルなど、屈折率ｎが１．８≦ｎ＜２．５の他の高屈折率材料でもよい。

また、膜形成には真空蒸着法を用いた。本実施例では、真空蒸着装置２として株式会社シンクロン製の精密真空薄膜形成装置ＡＣＥ−１３５０を使用した。

＜透過率の評価＞
表２のレンズ基材１５０に表３の反射防止膜１５１を入射面側に施した各対物レンズ１５に対して、レンズ全体の透過率の測定を実施した。測定結果を表４の太枠内に示す。同表には、中央部Ｃの屈折率ｎに対する外周部Ｄの屈折率ｎの比Ｒ_nと、これに対応する充填密度Ｐの比Ｒ_Pを併記してある。

表４の測定結果によれば、基材（１）〜（４）（ＮＡ＝０．６〜０．９）において、比較例を上回る透過率を得ており、特に基材（１）〜（３）（ＮＡ＝０．８〜０．９）で大きく上回っている。なお、このＮＡの範囲は、表２に示すように、面角度にして４８〜７２［°］、６０〜７２［°］の範囲にそれぞれ対応する。

また、基材（１）〜（４）（ＮＡ＝０．６〜０．９）では、Ｒ_n＝０．８〜０．９８（Ｒ_P＝０．３８〜０．９４）の範囲で比較例Ｒ_n＝１．０と同等以上の透過率を得ており、特にＲ_n＝０．８５〜０．９２（Ｒ_P＝０．５３〜０．７５）の範囲において大きく上回っている。

＜対物レンズの構成＞
上記実施の形態における対物レンズ１５の実施例として、表２に示すＮＡの異なる５種類のレンズ基材１５０に対し、表５に示す２層構成の反射防止膜１５１を入射面側に施した対物レンズ１５を形成した。
その他の諸条件は実施例１と同様である。

＜透過率の評価＞
表２のレンズ基材１５０に表５の反射防止膜１５１を入射面側に施した各対物レンズ１５に対して、レンズ全体の透過率の測定を実施した。測定結果を表６の太枠内に示す。同表には、中央部Ｃの屈折率ｎに対する外周部Ｄの屈折率ｎの比Ｒ_nと、これに対応する充填密度Ｐの比Ｒ_Pを併記してある。

表６の測定結果によれば、基材（１）〜（４）（ＮＡ＝０．６〜０．９）において、比較例をほぼ上回る透過率を得ており、特に基材（１）〜（３）（ＮＡ＝０．８〜０．９）で大きく上回っている。なお、このＮＡの範囲は、表２に示すように、面角度にして４８〜７２［°］、６０〜７２［°］の範囲にそれぞれ対応する。

また、基材（１）〜（４）（ＮＡ＝０．６〜０．９）では、Ｒ_n＝０．８〜０．９８（Ｒ_P＝０．３８〜０．９４）の範囲で比較例Ｒ_n＝１．０の透過率をほぼ全域で上回っており、特にＲ_n＝０．８５〜０．９２（Ｒ_P＝０．５３〜０．７５）の範囲においては完全に上回っている。

実施例２の測定結果と、実施例１の測定結果とを比較すると、比較例Ｒ_n＝１．０より透過率が上回っているＮＡの範囲、又はＲ_n若しくはＲ_Pの範囲は、実施例１の方が広くなっている。また、比較例Ｒ_n＝１．０との透過率の相対差も実施例１の方が大きい。したがって、実施例１の３層構成の反射防止膜１５１の方が、実施例２の２層構成の反射防止膜１５１よりも、高い透過率を得られる点で優れている。

以上のように、本発明に係る対物レンズ１５によれば、反射防止膜１５１の中央部Ｃにおける屈折率に対する外周部Ｄにおける屈折率の比Ｒ_nが１．０倍より小さくなっているので、外周部Ｄにおける光束の反射率の増大を効果的に抑制して透過率を向上させることができる。この効果は以下の理由によるものである。

一般的な反射防止膜の反射率特性は、図５に示すように、ＮＡが大きくなるほどグラフは略同形状のまま短波長側にシフトする。このことから、従来の反射防止膜の形成においては、反射率が極小となる波長を調整することで、外周部での反射を抑えレンズ全体の透過率を向上させている。
これに対し、本発明の反射防止膜１５１の反射率特性は、図６に示すように、中心部Ｃの屈折率に対する外周部Ｄの屈折率の比Ｒ_n＜１．０（本図の例では０．９）とすることで、層数は従来程度のまま、ＮＡの大きい外周部Ｄの反射率を従来に比べ低く抑えている。これによって、製造コストは従来程度を維持したまま、対物レンズ１５全体の透過率の向上を可能としているのである。なお、図５，図６のグラフはＢＤ用の反射防止膜１５１のものである。

本発明に係る光ピックアップ装置の概略構成を示す概念図である。本発明に係る対物レンズを示す側面図である。真空蒸着装置の概略構成を示す概念図である。真空蒸着装置におけるレンズ基材の固定方法を示す図である。従来の反射防止膜の反射率特性を示す図である。本発明に係る反射防止膜の反射率特性を示す図である。

符号の説明

１光ピックアップ装置
１５対物レンズ
１５０基材
１５１反射防止膜

Claims

光源から出射される光束により情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置用の対物レンズであって、
開口数が０．６以上０．９以下であり、
プラスチック成形された基材と、前記基材における前記光源側の表面に少なくとも１層で形成された反射防止膜とを備え、
前記反射防止膜は、有効光束の外縁が透過する外周部の充填密度が、光軸上の光線が透過する中央部の充填密度に対して０．３８倍以上０．９４倍以下であることを特徴とする対物レンズ。
前記光源の波長λが３５０≦λ≦４５０［ｎｍ］の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
開口数が０．８以上０．９以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の対物レンズ。
前記外周部表面の法線と光軸とのなす角度が４８以上７２［°］以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の対物レンズ。
前記外周部表面の法線と光軸とのなす角度が６０以上７２［°］以下であることを特徴とする請求項４に記載の対物レンズ。
前記反射防止膜が１層以上３層以下で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の対物レンズ。
前記反射防止膜の少なくとも１層は、波長５００［ｎｍ］の光に対する屈折率ｎが１．３≦ｎ＜１．５５である低屈折率材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の対物レンズ。
前記低屈折率材料がＳｉＯ ₂ を主成分とする材料であることを特徴とする請求項７に記載の対物レンズ。
前記外周部の充填密度が、前記中央部の充填密度に対して０．５３倍以上０．７５倍以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の対物レンズ。
前記反射防止膜は、有効光束の外縁が透過する外周部の屈折率が、光軸上の光線が透過する中央部の屈折率に対して０．８倍以上０．９８倍以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の対物レンズ。
前記外周部の屈折率が、前記中央部の屈折率に対して０．８５倍以上０．９２倍以下であることを特徴とする請求項１０に記載の対物レンズ。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の対物レンズを備えることを特徴とする光ピックアップ装置。