JP5391629B2 - レンズ、光学装置及びレンズの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光学素子及びその製造方法に関し、特に収差変動や透明性の低下を抑制することができる光学素子及びその製造方法に関する。

従来から、光学特性や機械的強度等が優れているという観点で、光学素子（主にはレンズ）の構成材料として一般にガラスが用いられているが、光学素子が使用される機器の小型化が進むにつれて光学素子の小型化も必要になり、ガラスでは非球面形状や複雑な形状のものを作製することが困難で、ガラスは精密素子の量産性という面では不向きな材料になってきている。このことから加工が容易なプラスチック材料が検討・使用されるようになってきている。当該プラスチック材料としては、ポリオレフィン、ポリカーボネート等の透明性（光透過性）が良好な熱可塑性樹脂が挙げられる。

ところで、近年旧来の７８０ｎｍ前後の波長の光源を用いたＣＤ系の記録媒体用の光ピックアップ装置や、６５０ｎｍ前後の波長の光源を用いたＤＶＤ系の記録媒体用の光ピックアップ装置等の光学装置に加え、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの青色もしくは青紫色等の短波長の光源を用い、光学系の開口数（ＮＡ）を高めることで記録密度を高めたＢｌｕ−ｒａｙ等の記録媒体用の光ピックアップ光学装置が開発されている。このような開口数が大きく、短波長の光源を用いた光学装置にプラスチック光学素子が用いられた場合、従来のレーザに比べてエネルギーが高いことに加え、レーザ光束が強く収束される為、光学素子の界面にかかる負荷が増大し、光学素子を構成する素材が不安定となり、変形や変質を生じる問題が発生した。このような変形や変質は非常に微小なものであり、従来の光学装置では問題とならないレベルであるが、高密度の光学装置においては、光学装置の性能に影響を与えるという問題を発生することが明らかになった。このような問題に対し、比較的青色光に対する透過率が高く、耐光性にも優れた樹脂材料として脂環式構造を有するポリオレフィン系の樹脂を用いた光学素子が提案されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、樹脂材料自体の透過率を高めても、このような光学装置用の光学素子として用いる為には、光学素子表面での反射による光の損失や散乱光の発生を抑える為、反射防止膜を設ける必要があり、反射防止膜と樹脂との界面に負荷が集中することで、上述の問題が発生しやすくなる為、更なる改善が求められていた。
特開２００３−７３５５９号公報

本発明者らの検討の結果、上述の変形や変質による光学性能の低下は、樹脂基材と反射防止膜との界面にレーザ照射による負荷が集中することに加え、反射防止膜を透過した酸素により樹脂が酸化することで発生していると考えられた。そこで、酸素の透過を抑える機能膜を新たに設けることを検討したが、新たに機能膜を設けると工程が増してコストの増加につながるとともに、基材となる樹脂との屈折率との違いによる干渉効果により、反射防止膜の機能を低下させ反射防止効果が劣化したり、短波長の光に対する吸収を発現し透過率が低下する問題があった。そこで、光学素子としての透過率を低下させることなく、安定した光学特性が得られる光学素子が求められていた。

したがって、本発明の主な目的は、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍのレーザ光源を用いる光ピックアップ装置に用いられても、高い透過性を有し、光学的安定性に優れた光学素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
波長λが３５０ｎｍ≦λ≦４５０ｎｍの光を出射する光源を有する光学装置に用いられるレンズにおいて、
樹脂を成形した、像側開口数ＮＡが０．７以上の成形部と、
前記成形部上に形成された１層又は複数層の反射防止膜と、を備え、
前記樹脂は環状オレフィン樹脂であり、
前記反射防止膜の層構成のうち少なくとも前記成形部に接している第１層がＳｉ_ｘＯ_ｙで構成され、ＳｉとＯとの組成比ｒ（＝ｙ／ｘ）が式（１）の条件を満たすことを特徴とするレンズが提供される。
１．４０≦ｒ≦１．７５ … （１）

本発明の他の態様によれば、
波長λが３５０ｎｍ≦λ≦４５０ｎｍの光を出射する光源を有する光学装置に用いられるレンズの製造方法において、
樹脂を成形して像側開口数ＮＡが０．７以上の成形部を形成する工程と、
前記成形部上に、１層又は複数層の反射防止膜であってその層構成のうち少なくとも前記成形部に接する第１層がＳｉ_ｘＯ_ｙである反射防止膜を形成する工程と、を備え、
前記樹脂は環状オレフィン樹脂であり、
前記反射防止膜を形成する工程では、蒸着源としてＳｉＯを用いるとともに蒸着装置内にＯ_２ガスを導入し、前記Ｏ_２ガスの導入圧力を調整してＳｉとＯとの組成比ｒ（＝ｙ／ｘ）が式（１）の条件を満たすＳｉ_ｘＯ_ｙの層を形成することを特徴とするレンズの製造方法が提供される。
１．４０≦ｒ≦１．７５ … （１）

本発明によれば、反射防止膜中にＳｉ_ｘＯ_ｙの層を有し、その層が式（１）の条件を満たすことにより、Ｓｉ_ｘＯ_ｙの層が透過酸素を捕獲する機能を果たすことで樹脂基材に対する透過酸素の影響を低減し、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍのレーザ光源を用いた光ピックアップ装置に用いられても樹脂基材の変形や変質による収差や透過率の低下を抑えられるとともに、式（１）の条件を満たすことで、従来反射防止層として用いられるＳｉＯ_２層と同様に反射防止層として用いることが可能となり、レンズの光透過率を高める効果も得られ、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍのレーザ光源に対する光吸収も抑制される。従って、本発明の構成では、反射防止層と透過酸素の防止層を兼ねた層を設けることで、コストの増加を招くことなく従来の設計で反射防止効果と、短波長のレーザによる基材の劣化という新たな問題を低減させる効果を同時にえることが可能となるものである。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。

図１に示す通り、光学装置の一例である光ピックアップ装置３０には、光源としての半導体レーザ発振器３２が具備されている。半導体レーザ発振器３２は、ＢＤ（Blu-ray Disc）用として波長３５０〜４５０ｎｍの特定波長（例えば４０５ｎｍ）の光としてブルーレーザ（青紫色レーザ）を出射するようになっている。半導体レーザ発振器３２から出射される青紫色光の光軸上には、半導体レーザ発振器３２から離間する方向に向かって、コリメータ３３、ビームスプリッタ３４、１／４波長板３５、絞り３６、対物レンズ３７が順次配設されている。

ビームスプリッタ３４と近接した位置であって、上述した青紫色光の光軸と直交する方向には、２組のレンズからなるセンサーレンズ群３８、センサー３９が順次配設されている。

対物レンズ３７は、高密度な光ディスクＤ（ＢＤ用光ディスク）に対向した位置に配置されており、半導体レーザ発振器３２から出射された青紫色光を光ディスクＤの一面上に集光するようになっている。対物レンズ３７は像側開口数ＮＡが０．７以上となっている。対物レンズ３７には、２次元アクチュエータ４０が具備されており、２次元アクチュエータ４０の動作により、対物レンズ３７は光軸上を移動自在となっている。

図１中拡大図に示す通り、対物レンズ３７は主には成形部５０で構成されており、その表面３７ｂ上に反射防止膜６０が形成されている。成形部５０はレンズ形状に成形されており、集光機能などの本質的な光学機能を発揮するようになっている。

成形部５０は熱可塑性樹脂で構成されており、そのような熱可塑性樹脂としては、アクリル樹脂、環状オレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂又はポリイミド樹脂であることが好ましく、環状オレフィンであることが特に好ましい。具体例として、特開２００３−７３５５９号公報に記載の化合物を挙げることができ、その好ましい化合物を下記表１に示す。

なお、上述した熱可塑性樹脂は、光学材料としての寸法安定性の観点から、吸湿率が０．２％以下であることが望ましいため、ポリオレフィン樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン）、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン、テフロン（登録商標）ＡＦ：デュポン社製）、環状オレフィン樹脂（日本ゼオン製：ＺＥＯＮＥＸ、三井化学製：ＡＰＥＬ、ＪＳＲ製：アートン、チコナ製：ＴＯＰＡＳ）、インデン／スチレン系樹脂、ポリカーボネート樹脂等が好適に用いられる。

本実施の形態における反射防止膜６０は３層構造を有している。しかしながら、本発明ではｘ及びｙが上記式（１）の関係を満たすＳｉ_ｘＯ_ｙ層を有している限り、層の構成には特に限定はなく、単層でもよく、更に多数の層が積層されていてもよい。上記式（１）の関係を満たすＳｉ_ｘＯ_ｙ層は、一層だけ設けられていればよいが、反射防止膜を構成する膜として、複数層設けられることが好ましい。反射防止膜の層数は求められる反射防止効果により適宜設定可能である。本実施の形態においては、成形部５０に対し直に第１層６１が形成されており、第１層６１の上に第２層６２が形成されており、第２層６２の上に第３層６３が形成されている。

本実施の形態における反射防止膜の第１層６１は屈折率１．７未満の低屈折率材料から構成された層であり、好ましくはＳｉｘＯｙから構成されている。第１層６１において、ＳｉとＯとの組成比ｒ（＝ｙ／ｘ）は式（１）の条件を満たしている。組成比ｒは、英国VG Scientific社製ESCALab200Rを用いたX線光電子分光法（XPS）により求められた元素存在量から算出した値である。
１．４０≦ｒ≦１．７５ … （１）

本発明におけるＳｉｘＯｙ層においては、式（１）を満たす必要があり、組成比ｒが１．４０未満である場合には、ＳｉＯ（一酸化シリコン）の特徴である短波長域における光吸収が大きくなり好ましくない。逆に、組成比ｒが１．７５を上回る場合には、成形部５０の変形や変質による収差の発生や透過率の低下を防止できるという効果を所望の程度まで達成できなくなる。

本実施の形態における反射防止膜６０の第２層６２は屈折率１．７以上の高屈折率材料から構成された層である。高屈折率層の材料は所望の屈折率を有するものであれば特に制限なく使用可能である。高屈折率層の材料としては、好ましくはＴａ_２Ｏ_５，Ｔａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２との混合物，ＺｒＯ_２，ＺｒＯ_２とＴｉＯ_２との混合物等が挙げられる。他にも、ＴｉＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_３，ＨｆＯ_２等を用いることができる。

本実施の形態における反射防止膜６０の第３層６３は屈折率１．７未満の低屈折率材料から構成された層であり、上記式（１）の関係を満たすＳｉ_ｘＯ_ｙ層であってもよく、ＳｉＯ_２，ＭｇＦ_２等の低屈折材料から構成されていてもよい。

なお、対物レンズ３７では、反射防止膜６０中に少なくとも第１層６１が含まれていればよく、複数層で構成される場合は、上記式（１）の関係を満たすＳｉ_ｘＯ_ｙ層は第１層（最も基材側）であってもよいし、基材から離れた位置に設けられていてもよく、複数設けられていてもよい。また本実施例では、反射防止膜６０は対物レンズ３７の出射面側の表面３７ｂに形成されているが、対物レンズ３７の入射面側の表面３７ａに形成されていてもよく、両面に形成されていてもよい。対物レンズでは光束が収束されて出射面側の光密度が高くなる為、上記式（１）の関係を満たすＳｉ_ｘＯ_ｙ層を含む反射防止膜は、出射面側の表面３７ｂに設けられるか、対物レンズ３７の両面に設けられる構成が好ましい。

続いて、対物レンズ３７の製造方法について説明する。

始めに、上記熱可塑性樹脂を一定条件下で金型に対し射出成形し、所定形状を有する成形部５０を形成する。

その後、真空蒸着法などにより、成形部５０に対して反射防止膜６０（第１層６１）を形成する。詳しくは、第１層６１を構成する蒸着源としてＳｉＯ_２より酸素比率が少ないＳｉＯを用いて真空蒸着装置内にＯ_２ガス（酸素ガス）を導入し、そのＯ_２ガスの導入圧力を所定の値に調整して式（１）の条件を満たす第１層６１を形成する。

その後、第１層６１の上に続けて、第２層６２を構成する蒸着源を用いて第２層６２を形成する。例えば、第２層６２として（Ｔａ_２Ｏ_５＋５％ＴｉＯ_２）膜を形成する場合には、蒸発源としてオプトラン社製OA600を用い、電子銃加熱により当該蒸着源を蒸発させればよい。蒸着中は、真空蒸着装置内部の圧力が１．０×１０^−２ＰａまでＯ_２ガスを導入し、蒸着速度を５Å／ｓｅｃの条件にコントロールしながら成膜するのがよい。そして成膜温度（蒸着装置内の温度）を適切な温度範囲内で保持する。

その後、第２層６２の上に続けて、第３層６３を構成する蒸着源を用いて第３層６３を形成する。例えば、第３層６３としてＳｉＯ_２膜を形成する場合には、真空蒸着装置内部の圧力が１．０×１０^−２ＰａまでＯ_２ガスを導入し、蒸着速度を５Å／ｓｅｃの条件にコントロールしながら成膜するのがよい。そして成膜温度（蒸着装置内の温度）を適切な温度範囲内で保持する。

以上の工程により対物レンズ３７が製造される。

続いて、光ピックアップ装置３０の動作について説明する。

光ディスクＤへの情報の記録動作時や光ディスクＤに記録された情報の再生動作時に、半導体レーザ発振器３２から青紫色光が出射される。出射された青紫色光は、コリメータ３３を透過して無限平行光にコリメートされた後、ビームスプリッタ３４を透過して、１／４波長板３５を透過する。さらに、当該青紫色光は絞り３６及び対物レンズ３７を透過した後、光ディスクＤの保護基板Ｄ_１を介して情報記録面Ｄ_２に集光スポットを形成する。

集光スポットを形成した青紫色光は、光ディスクＤの情報記録面Ｄ_２で情報ビットによって変調され、情報記録面Ｄ_２によって反射される。そして、この反射光は、対物レンズ３７及び絞り３６を順次透過した後、１／波長板３５によって偏光方向が変更され、ビームスプリッタ３４で反射する。その後、当該反射光は、センサーレンズ群３８を透過して非点収差が与えられ、センサー３９で受光されて、最終的には、センサー３９によって光電変換されることによって電気的な信号となる。

以後、このような動作が繰り返し行われ、光ディスクＤに対する情報の記録動作や、光ディスクＤに記録された情報の再生動作が完了する。

以上の本実施形態によれば、反射防止膜６０中に第１層６１としてＳｉ_ｘＯ_ｙの層を有し、第１層６１が式（１）の条件を満たし、ＳｉＯ_２に比べてＳｉに対するＯの存在比率が２より小さいから、大気中に存在する酸素を第１層６１で吸収することができると考えられる。そのため、大気中の酸素は反射防止膜６０を透過して樹脂の成形部５０に到達し難くなって成形部５０の酸化が抑制され、その結果、対物レンズ３７の収差変動や透明性の低下を抑制することができる（下記実施例参照）。

（１）サンプルの作製
環状オレフィン樹脂（三井化学製ＡＰＥＬ）を用いて作成した樹脂レンズ基材（Ｂｌｕ−Ｒａｙ用対物レンズ）の入射側、出射側の表面上にＳｉ_ｘＯ_ｙ層単層からなる反射防止膜を下記、表２に記載の膜厚で形成した。

各サンプルの反射防止膜は真空蒸着法により形成し、それら各膜を形成する際に、蒸着源，酸素ガスの導入圧力に適宜変更を加えながら５種類のサンプルを形成し、その条件に応じて「サンプルＮｏ．１〜５」とした。サンプルＮｏ．１〜５は蒸着条件を表２に示す通りとした。表２には、反射防止膜の膜厚と、ＳｉとＯとの組成比ｒ（Ｓｉ_ｘＯ_ｙにおけるｙ／ｘの値）とを、示した。

なお、表２における組成比ｒは、英国VG Scientific社製ESCALab200Rを用いたX線光電子分光法（XPS）により求められた元素存在量から算出した。
膜厚は、設計波長に対して屈折率（ｎ）×膜厚（ｄ）が略波長／４となるように設定した。ｎｄを波長／４に設定することで、光の干渉効果により反射防止効果を得ることができる。但し、設計波長（最も反射率が低くなるように設定する波長）としては、レンズ面の形状と全体の透過率を考慮し、入射面側（Ｓ１面側）では４７０ｎｍとし、出射面側（Ｓ２面側）では４４０ｎｍとして膜厚を設定した。

（２）サンプルの評価
（２．１）収差変動の測定
各サンプル１〜５に対し、温度環境７５℃、強度１０ｍＷ、照射スポット径１ｍｍ、照射時間１０００ｈの条件下で４０５ｎｍのレーザ光源で光照射し、サンプル１〜５ごとに照射前後における球面収差の変動量ΔＳＡ３を測定した。測定には内製トワイマン・グリーン型干渉計を用いた。球面収差の変動量ΔＳＡ３の基準を±０．０３ｒｍｓ以下と規定し、その条件を満たすか否かでサンプル１〜５を評価した。その評価結果を表２に示す。表２中、上記基準を満たす場合には「○」と、上記基準を満たさない場合には「×」と記載している。

（２．２）第１層の透明性の評価（反射防止膜適用上の必要条件）
サンプル１〜５の第１層と同種類の酸化シリコン膜を、光学ガラスＢＫ７に１００ｎｍ成膜し、日立ハイテク製U4100分光光度計を用いて３５０〜４５０ｎｍにおける光の吸収率を測定した。透明性を評価する際の基準として３５０ｎｍ〜４５０ｎｍで２％以上の光吸収が確認されるか否かでサンプル１〜５を評価した。その評価結果を表２に示す。表２中、２％未満の光吸収にとどまった場合には「○」と、２％以上の光吸収が確認された場合には「×」と記載している。

（３）まとめ
表２に示す通り、組成比ｒが１．４０≦ｒ≦１．７５の範囲にあるサンプル１，２からは、いずれも収差変動，透明性の観点で良好な結果が得られた。これに対し、組成比ｒが１．７５を上回るサンプル３は収差変動が大きく、組成比ｒが１．４０未満のサンプル４，５は短波長領域（３５０ｎｍ〜４５０ｎｍ）における光吸収が大きかった。以上から、反射防止膜の第１層（ＳｉｘＯｙ）における組成比ｒを１．４０≦ｒ≦１．７５の範囲に収めることが、収差変動，透明性の観点で有用であることがわかる。

（１）サンプルの作製
実施例１と同様に作製された環状オレフィン樹脂（三井化学製ＡＰＥＬ）を用いて作製した樹脂レンズ基材（Ｂｌｕ−Ｒａｙ用対物レンズ）の入射側、出射側の表面上に、それぞれ以下の表３に示される膜厚で反射防止膜を形成した。表３中では、基材側に最も近い層を下層とし、基材から遠い側を上層としており、同じ組成比ｒ（Ｓｉ_ｘＯ_ｙにおけるｙ／ｘの値）の酸化シリコン膜を設けた。中間層としては、４００ｎｍの光に対する屈折率が１．９３の参加ジルコニウム層を用いた。設計波長（最も反射率が低くなるように設定する波長）としては、レンズ面の形状と全体の透過率を考慮し、入射面側（Ｓ１面側）では４７０ｎｍとし、出射面側（Ｓ２面側）では４４０ｎｍとして膜厚を設定した。

（２）サンプルの評価
（２．１）収差変動の測定
各サンプル６〜８に対し、実施例１と同様の条件で球面収差の変動量ΔＳＡ３を測定した。実施例１の基準に加え、球面収差の変動量ΔＳＡ３の基準が±０．０１ｒｍｓ以下のものを◎として評価した。その評価結果を表３に示す。

（２．２）反射防止膜の透明性の評価（反射防止膜適用上の必要条件）
サンプル６〜８を実施例１と同様に評価した。その評価結果を表３に示す。

（３）まとめ
表３に示す通り、組成比ｒが１．４０≦ｒ≦１．７５の範囲にある酸化シリコン膜を２層設けたサンプル６，７は、いずれも収差変動の点で特に良好な値を示し、上記の酸化シリコン層を複数層設けた場合に、本発明の効果が特に良好に得られることが示された。

本発明の好ましい実施形態で使用される光ピックアップ装置の概略構成を示す図面である。

符号の説明

３０ 光ピックアップ装置
３２ 半導体レーザ発振器
３３ コリメータ
３４ ビームスプリッタ
３５ １／４波長板
３６ 絞り
３７ 対物レンズ
３７ａ 表面
３７ｂ 表面
３８ センサーレンズ群
３９ センサー
４０ ２次元アクチュエータ
５０ 成形部
６０ 反射防止膜
６１ 第１層
６２ 第２層
６３ 第３層
Ｄ 光ディスク
Ｄ_１ 保護基板
Ｄ_２ 情報記録面

Claims (9)

1. 波長λが３５０ｎｍ≦λ≦４５０ｎｍの光を出射する光源を有する光学装置に用いられるレンズにおいて、
   樹脂を成形した、像側開口数ＮＡが０．７以上の成形部と、
   前記成形部上に形成された１層又は複数層の反射防止膜と、を備え、
   前記樹脂は環状オレフィン樹脂であり、
   前記反射防止膜の層構成のうち少なくとも前記成形部に接している第１層がＳｉ_ｘＯ_ｙで構成され、ＳｉとＯとの組成比ｒ（＝ｙ／ｘ）が式（１）の条件を満たすことを特徴とするレンズ。
   １．４０≦ｒ≦１．７５ … （１）
2. 前記Ｓｉ_ｘＯ_ｙで構成された層の屈折率が１．７未満であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
3. 前記反射防止膜は複数層からなり、
   前記複数層には、屈折率が１．７以上の層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ。
4. 前記屈折率が１．７以上の層は、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５とＴｉＯ_２との混合物、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ_２とＴｉＯ_２との混合物、ＮｂＯ_３、ＨｆＯ_２のいずれかからなることを特徴とする請求項３に記載のレンズ。
5. 前記波長λの光が入射する入射面と、前記波長λの光が出射する出射面とを有し、
   前記Ｓｉ_ｘＯ_ｙで構成された層は、前記入射面と前記出射面とのうち、少なくとも前記出射面に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレンズ。
6. 前記反射防止膜は前記入射面と前記出射面との両方に設けられており、
   前記入射面における膜厚の方が前記出射面における膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項５に記載のレンズ。
7. 波長λが３５０ｎｍ≦λ≦４５０ｎｍの光を出射する光源と、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のレンズとを有することを特徴とする光学装置。
8. ＢＤ用の光ピックアップ装置であることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
9. 波長λが３５０ｎｍ≦λ≦４５０ｎｍの光を出射する光源を有する光学装置に用いられるレンズの製造方法において、
   樹脂を成形して像側開口数ＮＡが０．７以上の成形部を形成する工程と、
   前記成形部上に、１層又は複数層の反射防止膜であってその層構成のうち少なくとも前記成形部に接する第１層がＳｉ_ｘＯ_ｙである反射防止膜を形成する工程と、を備え、
   前記樹脂は環状オレフィン樹脂であり、
   前記反射防止膜を形成する工程では、蒸着源としてＳｉＯを用いるとともに蒸着装置内にＯ_２ガスを導入し、前記Ｏ_２ガスの導入圧力を調整してＳｉとＯとの組成比ｒ（＝ｙ／ｘ）が式（１）の条件を満たすＳｉ_ｘＯ_ｙの層を形成することを特徴とするレンズの製造方法。
   １．４０≦ｒ≦１．７５ … （１）

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