JP5884081B2

JP5884081B2 - 対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置

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Publication number: JP5884081B2
Application number: JP2011531803A
Authority: JP
Inventors: 林　克彦; 克彦林; 田中　康弘; 康弘田中; 山形　道弘; 道弘山形
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: JPWO2011033790A1; US20120163142A1; WO2011033790A1

Description

本発明は、光情報記録媒体に対して情報の記録・再生・消去の少なくとも１つを行うために用いられる対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置に関する。

近年、青色レーザを用いて高密度記録を行う光情報記録再生装置が市販されている。青色レーザを用いる規格（例えば、ＢＤ）と、これより旧世代の赤色レーザを用いる規格（例えば、ＤＶＤ）及び赤外レーザを用いる規格（例えば、ＣＤ）との全てに互換性のある光ピックアップ装置を構成する場合、青色レーザ用対物レンズと、赤色レーザ及び赤外レーザ用対物レンズ（いわゆるＤＶＤ／ＣＤ互換対物レンズ）との両方の対物レンズを装置に搭載することが一般に行われている。

しかしながら、この２レンズタイプの光ピックアップ装置を製造する際に、一方の対物レンズのスポットが最適になるようにアクチュエータの調整を行うと、他方の対物レンズのスポット性能が劣化してしまうという課題がある。また、両方のスポット性能を最適に調整するには、組み立て工程及び組み立て時間が増え、製造コスト高に繋がる。

特許文献１には、レンズ設計時において、一方のレンズの正弦条件不満足量を予め大きくしておき、レンズが光軸に対して傾いた時に発生する収差を低減する技術が開示されている。

特許第３２３５５１９号公報

しかしながら、単に一方の対物レンズの性能を改善し、光軸に対して傾いた時に発生する収差を低減したとしても、光軸に対して傾いた軸外の光がレンズに入射した場合、収差が発生してしまい、結局、スポットとしては最適な性能が得られないこととなる。

本発明の目的は、簡易な位置調整のみで、最適なスポット性能を得ることが可能な対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置を提供することである。

本発明は、入射側及び出射側に光学機能面を有し、収差を補正する収差補正素子を介して入射した入射光束を基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子であって、前記光学機能面の光軸を前記基板の法線と平行に配置し、前記光軸に対して傾きをもった軸外光が入射した場合において、軸外光の傾きが０．５度の場合、入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次非点収差の発生量が、入射光束を集光して形成したスポットの球面収差の発生量より小さいことを特徴とする。

本発明に係る光ピックアップ装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を光情報記録媒体の情報記録面上に集光してスポットを形成する、上記対物レンズ素子と、光源と対物レンズ素子との間の光路上に配置され、光路に沿って移動することによって収差を補正する収差補正素子と、情報記録面で反射された反射光を検出する検出器とを備える。

本発明によれば、対物レンズ素子の位置を簡易に調整するだけで、最適なスポット性能を得ることができる。

実施の形態１に係る対物レンズ素子の構成図実施の形態１に係る対物レンズ素子に対して軸外光が入射した状態を説明する図本実施の形態に係る対物レンズ素子が光ディスクの基板の法線に対して傾いた状態を示す図実施の形態２に係る光ピックアップ装置を示す構成図数値実施例１に係る対物レンズ素子の光路図数値実施例１に係る対物レンズ素子の球面収差、正弦条件の不満足量示す収差図数値実施例１に係る対物レンズ素子に、光軸に対して傾きをもった光が入射した場合に発生する収差成分を示すグラフ数値実施例１に係る対物レンズ素子の光軸が、光ディスクの基板の法線に対して傾いた場合に発生する収差成分を示すグラフ数値実施例２に係る対物レンズ素子の光路図数値実施例２に係る対物レンズ素子の球面収差、正弦条件の不満足量を示す収差図数値実施例２に係る対物レンズ素子に、光軸に対して傾きをもった光が入射した場合、すなわち、軸外光が入射した場合に発生する収差成分を示すグラフ数値実施例２に係る対物レンズ素子の光軸が、光ディスクの基板の法線に対して傾いた場合に発生する収差成分を示すグラフ

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る対物レンズ素子の構成図である。

本実施の形態に係る対物レンズ素子１は、ＢＤ専用対物レンズ素子である。具体的に、ＮＡは０．８５であり、波長４０８ｎｍを厚み０．１ｍｍの保護基板を介して集光し、光ディスクの情報記録面上に良好に収差補正されたスポットを形成する。ただし、２層のＢＤディスクへの対応を可能とする場合は、設計時の保護基板厚みとして、最も厚い保護基板厚みと最も薄い保護基板厚みとの中間の値である８７．５μｍが用いられる。また、３層以上の多層対応の場合は、この設計時の保護基板厚みは適宜調整される。

また、本実施の形態に係る対物レンズ素子１を用いて光ピックアップ装置を構成する場合、光源と対物レンズ素子１との間の光路上にコリメートレンズが挿入される。コリメートレンズは、光軸方向に移動して、球面収差を補正する収差補正素子として機能する。

図１に示すように、ＢＤディスク５の記録再生時においては、光源から出射されコリメートレンズを透過した光束２は、対物レンズ素子１の第１面に収束光として入射する。この対物レンズ素子１の第１面は非球面である。

対物レンズ素子１に入射した光束は、第２面から出射される。この第２面は非球面である。次に、対物レンズ素子１の第２面を透過した光束は、ＢＤディスク５の情報記録面に集光されスポットを形成する。情報記録面で反射された光束２は、再び対物レンズ素子１を透過し、リレーレンズ（図示せず）によって検出器に集光される。

図２は、実施の形態１に係る対物レンズ素子に対して軸外光が入射した状態を説明する図である。

光ピックアップ装置では、トラッキング時の対物レンズ素子自体のシフトや、光源の取り付け誤差や、光学系の配置誤差等により、対物レンズ素子に軸外からの光が入射する場合がある。そこで、本実施の形態に係る対物レンズ素子は、光学機能面の光軸を前記基板の法線と平行に配置し、前記光軸に対して傾きをもった軸外光が入射した場合において、軸外光の傾きが０．５度の場合、入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次非点収差の発生量が、入射光束を集光して形成したスポットの球面収差の発生量より小さくなるように設計されている。

このような設計を行うと、補正できない非点収差を抑制し、入射光束の傾きに起因する球面収差は、収差補正素子によって補正を行うことができる。したがって、対物レンズ素子に対して軸外光が入射しても、情報記録面上に形成されるスポットは良好に保たれる。

図３は、本実施の形態１に係る対物レンズ素子が光ディスクの基板の法線に対して傾いた状態を示す図である。

光ピックアップ装置では、組み立ての際に、光学系全体の収差を最適に補正するため、対物レンズ素子を傾けて配置することがある。また、光ディスクの製造誤差による基板の厚みむらや、光ディスク自体の傾き、光ディスクの回転による傾きに起因する収差を補正するため、対物レンズ素子が搭載されたアクチュエータを傾けて使用する場合がある。そこで、本実施の形態に係る対物レンズ素子は、以下の（３）の状態で発生する３次コマ収差の発生量が、以下の（４）の状態で発生する３次コマ収差の発生量より大きくないように設計されている。
（３）光学機能面の対称軸を基板の法線に対して傾けて配置し、基板の法線に平行に入射した入射光束を集光してスポットを形成した状態
（４）光学機能面の対称軸（光軸）を光ディスク５の基板の法線と平行に配置し、基板の法線に対して、中心光線が傾いて入射した入射光束を集光してスポットを形成した状態

ここで、光学機能面の対称軸（光軸）を基板の法線に対して０．５度傾けて配置し、基板の法線に平行に入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次コマ収差が２５ｍλ以下であることが好ましく、１５ｍλ以下であることがより好ましい。

光学機能面の対称軸（光軸）を基板の法線に対して０．５度傾けて配置し、基板の法線に平行に入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次コマ収差が２５ｍλ以下である場合、光学機能面の対称軸を光ディスク５の基板の法線と平行に配置し、基板の法線に対して、中心光線が０．５度傾いて入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次コマ収差が２５ｍλ以上であることが好ましい。

光学機能面の対称軸（光軸）を基板の法線に対して０．５度傾けて配置し、基板の法線に平行に入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次コマ収差が１５ｍλ以下である場合、光学機能面の対称軸を光ディスク５の基板の法線と平行に配置し、基板の法線に対して、中心光線が０．５度傾いて入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次コマ収差が３５ｍλ以上であることが好ましい。

このような設計を行うと、軸外光で発生するコマ収差の量よりも、対物レンズ素子が光ディスクの基板の法線に対して傾いた場合に発生するコマ収差の量の方が少なくなる。したがって、１つのアクチュエータに２つの対物レンズ素子を搭載した光ピックアップ装置の組み立て時に、アクチュエータの調整が容易となり、光ピックアップの製造が容易となる。以下、この点を更に具体的に説明する。

本発明に係るＢＤ専用の対物レンズ素子と共に、ＤＶＤ／ＣＤ互換の対物レンズ素子が同じアクチュエータに搭載される場合を想定する。例えば、最初に、ＤＶＤ及びＣＤのスポット性能が最適となるように、２つの対物レンズ素子を搭載したアクチュエータの傾きを調整する。この場合、同じアクチュエータに搭載されているＢＤ専用対物レンズ素子のスポット性能は必ずしも最適とはなっていない。その理由の一つとして、ＢＤ専用の対物レンズ素子が光軸に対して傾いているために、コマ収差が発生していることが考えられる。通常、正弦条件を満たし、軸外の光に対してコマ収差が発生しないようにレンズ設計を行う。このような設計を行った場合、対物レンズ素子自体が光軸に対して傾いた場合に発生するコマ収差は大きくなってしまう。ＢＤ専用の対物レンズ素子のみ単独で傾きを調整することで、スポット性能を向上させることは可能ではあるが、対物レンズ素子の傾き角度に対して発生するコマ収差量が極めて大きいため、そのような調整は実際には困難である。

上述したように、本発明に係る対物レンズ素子１は、その光軸が光ディスク５の基板の法線に対して傾いた場合に発生するコマ収差の量が小さくなるように設計されている。つまり、対物レンズ素子１は、傾きに対して収差感度が鈍感であるため、ある程度傾いたとしてもスポット性能は劣化しない。したがって、ＤＶＤ／ＣＤ互換の対物レンズ素子の「スポット性能が最適化されるようにアクチュエータの角度を調整しても、ＢＤ専用対物レンズ素子１のスポットも最適性能から大きく劣化することはない。

更に、光ディスク５の基板の法線にして対物レンズ素子の光軸が傾くことで発生するコマ収差とは別に、光学系全体の組み立て誤差や各光学素子が保有するコマ収差が残存している場合がある。この場合でも、本発明の対物レンズ素子においては、光が軸外から入射した場合に発生するコマ収差の量が大きいため、少しの光源位置の調整で光学系全体のコマ収差をキャンセルすることが可能である。従来の一般的な正弦条件を満足する対物レンズ素子の場合、光が軸外から入射した場合に発生するコマ収差の量は小さいため、この調整でコマ収差をキャンセルすることは困難である。

本発明に係る対物レンズ素子１を用いれば、このように簡易な調整方法で、全ての波長の集光スポットが最適になるように光ピックアップ装置を組み立てる事が可能である。ここで、光ディスク５の種類は特に限定されるものではない。光ディスク５は、例えば、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）、ＣＤ−Ｒ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋＲｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＣＤ−ＲＷ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＣＤ−ＲＯＭ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）、ＤＶＤ−Ｒ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃＲｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＤＶＤ−ＲＷ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ−ＲＡＭ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＥＶＤ（ＥｎｈａｎｃｅｄＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）、ＥＶＤ−Ｒ（ＥｎｈａｎｃｅｄＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃＲｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＥＶＤ−ＲＷ（ＥｎｈａｎｃｅｄＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＥＶＤ−ＲＯＭ（ＥｎｈａｎｃｅｄＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＥＶＤ−ＲＡＭ（ＥｎｈａｎｃｅｄＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃ）、ＢＤ−Ｒ（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃＲｅｃｏｒｄａｂｌｅ）、ＢＤ−ＲＷ（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）、ＢＤ−ＲＯＭ（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＢＤ−ＲＡＭ（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）（以上、すべて登録商標）であってもよい。

本実施の形態では、同一のアクチュエータに２つの対物レンズ素子を搭載した光ピックアップ装置を説明したが、１つの対物レンズ素子のみを搭載した光ピックアップ装置にも本発明の設計を適用できる。この場合でも、本実施の形態で説明した光学特性が得られる設計を行うことで、同様に、簡易な光ピックアップ装置の組み立てを実現できる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る光ピックアップ装置を示す構成図である。

図４に示す光ピックアップ装置は、所定の波長の光を出射する光源１０と、ビーム整形レンズ１１と、偏光ビームスプリッタ１２と、コリメートレンズ１３と、対物レンズ素子１４と、検出レンズ１７と、ディテクタ１８とを備える。対物レンズ素子１４は、実施の形態１で説明したＢＤ専用対物レンズ素子である。一例として、光源１０の波長は３９０〜４５０ｎｍ、対物レンズ素子１４のＮＡは０．８以上、対物レンズ素子１４とＢＤディスク２０との距離（作動距離）は１００μｍ未満である。

コリメートレンズ１３は、光軸方向に可動であり、光軸方向に移動することによって、入射した光束の平行度を変化させ、発生した集光スポットの球面収差を補正する。ここで発生した球面収差とは、波長変化、温度変化、ディスクの表面から記録層までの厚み変化、光学素子の製造誤差、ピックアップ組み立て誤差に起因して発生する球面収差を指す。

図４では、ＢＤ用光学系のみ記載しているが、これと共にＤＶＤまたはＣＤの光学系が設けられていても良い。ＢＤ用対物レンズ素子１４が搭載されているアクチュエータに、ＤＶＤ専用対物レンズ素子、ＣＤ専用用対物レンズ素子、ＤＶＤ／ＣＤ互換用対物レンズ素子、またはその他の対物レンズ素子が搭載されても良い。

対物レンズ素子１４の第１面は、非球面である。本実施の形態では、第１面の非球面は、一つの非球面式で表されるが、同心円状の複数の領域に分割されていても良い。また、光学機能面に回折構造が設けられていても良い。

図４に示すように、光源１０から出射された光束１５は、ビーム整形レンズ１１で楕円ビームに整形された後、偏光ビームスプリッタ１２の反射面１２aで反射され、コリメートレンズ１３を透過し、略平行光として、対物レンズ素子１４の第１面に入射する。

光束１５は、対物レンズ素子１４の第２面から出射され、ＢＤディスク２０の情報記録面に良好に集光される。そして、この情報記録面で反射された光１５は、再び対物レンズ素子１４を透過し、コリメートレンズ１３、偏光ビームスプリッタ１２を透過し、検出レンズ１７により検出器１８に集光される。

上述したように、ＢＤディスク２０の記録再生時に発生する球面収差を補正するために、コリメートレンズ１３は光軸方向に可動となっている。コリメートレンズ１３の代わりに球面収差を補正可能のものであれば、例えば、液晶素子、ビームエキスパンダー、液体レンズなど、他の光学素子を収差補正素子として利用できる。また、ビーム整形レンズ１１はなくても良いが、光利用効率を向上できるため、ある方が好ましい。

対物レンズ素子１４は、軸外入射で発生する３次非点収差の量が、３次球面収差の量より小さく抑えられている。３次非点収差は、光ピックアップ装置で補正する方法がないため、発生する収差を極力小さくしておくことが好ましい。一方、３次球面収差は、収差補正素子（例えば、コリメートレンズ１３）によって補正が可能であるため、発生しても問題がない。それ故、本実施の形態に係る光ピックアップ装置では、情報記録媒体の情報記録面上に良好なスポットを形成することができ、安定した記録再生を可能とする。

また、本発明の光ピックアップ装置によれば、組み立て時に簡単な調整を行うだけで最適なスポット性能をえることができる。特に、本発明に係る対物レンズ素子１４では、軸外光で発生するコマ収差の量よりもレンズが光軸に対して傾いた場合に発生するコマ収差の量の方が大きくないため、２つの対物レンズ素子を備える場合でも、調整が容易で組み立てを簡易に行うことができる。

尚、本実施の形態では、ＢＤ用の対物レンズ素子が光軸に対して傾いた場合に発生する３次のコマ収差を抑えた設計としているが、これに限らない。他の対物レンズ素子を同様に設計してもよい。

本発明の実施例をコンストラクションデータ、収差図等を挙げてさらに具体的に説明する。なお、数値実施例１、２は、上述の実施の形態１、２にそれぞれ対応している。

各数値実施例において、非球面係数が与えられた面は、非球面形状の屈折光学面又は非球面と透過な屈折作用を有する面であることを示す。非球面の面形状は、次の数１により定義される。
但し、
Ｘ：光軸からの高さがｈである非球面状の点の非球面頂点の接平面からの距離、
ｈ：光軸からの高さ、
Ｃ_j：レンズ第ｊ面の非球面頂点の曲率（Ｃ_j＝１／Ｒ_j）、
ｋ_j：レンズ第ｊ面の円錐定数、
Ａ_j,n：レンズ第ｊ面のｎ次の非球面定数、である。

（数値実施例１）
表１に数値実施例１のコンストラクションデータを示す。表１に示すように、設計波長４０８ｎｍ、ディスク基材厚（設計中心基材厚）０．０７２５ｍｍ、焦点距離１．３ｍｍ、有効径φ２．１８ｍｍ、ＮＡ０．８６、レンズ厚み１．７３ｍｍである。有効径とは、対物レンズ素子の第１面（表１の面番号１）の値である。また、図５は、数値実施例１に係る対物レンズ素子の光路図である。図６は、数値実施例１に係る対物レンズ素子の球面収差、正弦条件の不満足量示す収差図である。

図７は、数値実施例１に係る対物レンズ素子に、光軸に対して傾きをもった光が入射した場合、すなわち、軸外光が入射した場合に発生する収差成分を示すグラフである。横軸に光線の画角を、縦軸に収差量をとる。図７より、軸外光の傾きが０．５度の場合、発生する３次非点収差は９ｍλ、コマ収差は５５ｍλ、球面収差は１０ｍλである。

図８は、数値実施例１に係る対物レンズ素子の光軸が、光ディスクの基板の法線に対して傾いた場合に発生する収差成分を示すグラフである。横軸に光ディスクの基板の法線に対する光軸の傾斜角を、縦軸に収差量をとる。図８より、レンズチルト角が０．５度の場合、発生する３次コマ収差は１０ｍλである。

（数値実施例２）
表２に数値実施例２のコンストラクションデータを示す。表２に示すように、設計波長４０８ｎｍ、ディスク基材厚（設計中心基材厚）０．０７２５ｍｍ、焦点距離１．３ｍｍ、有効径φ２．１８ｍｍ、ＮＡ０．８６、レンズ厚み１．７４ｍｍである。有効径とは、対物レンズ素子の第１面（表２の面番号１）の値である。また、図９は、数値実施例２に係る対物レンズ素子の光路図である。図１０は、数値実施例２に係る対物レンズ素子の球面収差、正弦条件の不満足量を示す収差図である。

図１１は、数値実施例２に係る対物レンズ素子に、光軸に対して傾きをもった光が入射した場合、すなわち、軸外光が入射した場合に発生する収差成分を示すグラフである。横軸に光線の画角を、縦軸に収差量をとる。図１１より、軸外光の傾きが０．５度の場合、発生する３次非点収差は８ｍλ、３次コマ収差は、５５ｍλ、３次球面収差は１２ｍλである。

図１２は、数値実施例２に係る対物レンズ素子の光軸が、光ディスクの基板の法線に対して傾いた場合に発生する収差成分を示すグラフである。横軸に光ディスクの基板の法線に対する光軸の傾斜角を、縦軸に収差量をとる。図１２より、レンズチルト角が０．５度の場合、発生する３次コマ収差は１０ｍλである。

本発明は、光ディスクに対して情報の記録・再生・消去を行うための対物レンズ素子、これを用いた光ピックアップ装置、この光ピックアップ装置を組み込んだ、パーソナルコンピュータなどの情報機器、光ディスクレコーダーなどの映像機器や音響機器等に利用できる。

１対物レンズ素子
２波長４０８ｎｍの光束
３ＢＤ用対物レンズ
４ＤＶＤ／ＣＤ互換用対物レンズ
５ＢＤディスク
１０光源
１１ビーム成形レンズ
１２ビームスプリッタ
１２ａビームスプリッタ反射面
１３コリメータレンズ
１４対物レンズ素子
１５波長４０８ｎｍの光束
１６検出系
１７検出レンズ
１８検出器
１９光ピックアップ装置
２０情報記録媒体

Claims

入射側及び出射側に光学機能面を有し、収差を補正する収差補正素子を介して入射した入射光束を基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子であって、
前記光学機能面の光軸を前記基板の法線と平行に配置し、前記光軸に対して傾きをもった軸外光が入射した場合において、軸外光の傾きが０．５度の場合、入射した入射光束を集光して形成したスポットの３次非点収差の発生量が、入射光束を集光して形成したスポットの球面収差の発生量より小さいことを特徴とする対物レンズ素子。
光ピックアップ装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を光情報記録媒体の情報記録面上に集光してスポットを形成する請求項１に記載の対物レンズ素子と、
前記光源と前記対物レンズ素子との間の光路上に配置され、前記光路に沿って移動することによって収差を補正する収差補正素子と、
前記情報記録面で反射された反射光を検出する検出器とを備える、光ピックアップ装置。