(57)【要約】【課題】素子の厚みが変化することにより透過する光ビームの位相を変調する収差補正素子であって、低電圧で動作し、かつ、複屈折による収差発生の影響がない収差補正素子を提供することを目的とする。【解決手段】外部エネルギーによって変形可能な薄膜アクチュエータ部１１と、光学的等方性を有し、そのヤング率Ｙがすると、１×１０7ＧＰａ＜Ｙ＜１×１０9ＧＰａである位相可変部１２と、が積層された構造であり、前記薄膜アクチュエータ部１１の変形を受けて前記位相可変部１２の膜厚が変化することによって、前記位相可変部１２を透過する光ビームの位相を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子の厚みが変化することにより透過する光ビームの位相を変調する収差補正素子であって、外部エネルギーによって変形可能な薄膜アクチュエータ部と、光学的等方性を有し、そのヤング率Ｙがすると、１×１０7ＧＰａ＜Ｙ＜１×１０9ＧＰａである位相可変部と、が積層された構造であり、前記薄膜アクチュエータの変形を受けて前記位相可変部の膜厚が変化することによって、前記位相可変部を透過する光ビームの位相を制御することを特徴とする収差補正素子。
【請求項２】
前記薄膜アクチュエータ部が、圧電膜と、前記圧電膜の両面に分割して配置された電極と、圧電膜の少なくとも一方の膜面側に形成された弾性膜とを有することを特徴とする請求項１記載の収差補正素子。
【請求項３】
前記薄膜アクチュエータ部が、熱膨張係数が互いに異なる少なくとも２種の材料で構成された膜を積層して構成した透明な積層膜と、前記積層膜を加熱する加熱手段とを有することを特徴とする請求項１記載の収差補正素子。
【請求項４】
光ビームが透過する領域を避けて、前記薄膜アクチュエータが前記位相可変部上に形成されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１記載の収差補正素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置や光ディスク装置の光学ピックアップに用いられる収差補正素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的に情報記録又は情報再生が行われる情報記録媒体として、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ又はＤｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｄｅｏ  Ｄｉｓｃ）に代表される光ディスクがある。近年の情報通信技術の進展に伴い、かかる光ディスクの高密度化が精力的に進められている。
【０００３】
また、かかる光ディスクの高密度化に応じて光ピックアップ装置及び情報記録再生装置の高性能化が要求されている。この光ディスクの高密度化に対応する方法として、光ピックアップ装置に備えられている対物レンズの開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）を大きくすることにより、照射径の小さな光ビームを光ディスクに照射することがある。
【０００４】
また、短波長の光ビームを用いることで、高密度化を図ることができる。ところが、開口数ＮＡが大きい対物レンズや、短波長の光ビームを用いると、光ディスクの樹脂層の厚みばらつきによる光ビームの球面収差の影響が大きくなり、情報記録及び情報再生の精度を向上させることが困難になるという問題が生じる。
【０００５】
また、光ピックアップ装置の光源からのレーザ光の光軸とディスク面は垂直であることが理想であるが、実際には光ディスクが樹脂製のため、ディスク面にはうねりがある。このような光ディスクを回転させると光ピックアップの光軸とディスク面は常に垂直ではなくなる（以降チルトと表現する）。光ディスクは、記録層が樹脂層を介しているため、ディスク面が垂直でなくなると、対物レンズからの光路が曲げられ、ディスク面に正しくスポットを絞れなくなりコマ収差が発生する。この収差が許容される量よりも大きくなると、正しく読み書きができなくなるという不具合が生じる。
【０００６】
上記した収差の影響を低減する方法として、光ビームの光路中に透明性の収差補正素子を介挿し、光ビームが透過する収差補正素子の物性を局所的に変化させて収差を無くす手段が提案されている。具体的には、光ビームの光路長を面内で局所的に変化させて、波面位相のずれを打ち消すものである。
【０００７】
収差補正素子の材料としては、例えば、液晶を用いることが提案されている。即ち、液晶素子の屈折率を電圧で変化させることにより、局所的に光路長を変化させて波面位相のずれを打ち消すことができる。
【０００８】
また、同じく収差補正素子の材料として、透明圧電体を用いることが提案されている。即ち、圧電素子の厚さを電圧で変化させることにより、局所的に光路長を変化させて波面位相のずれを打ち消すことができる。
【０００９】
しかしながら、例えば（特許文献１）に開示されたような、液晶板を用いて位相制御することにより収差補正する方法は、電圧印加によって生じる液晶の屈折率変化の応答性が遅いために、高周波動作に使用するのは困難であった。
【００１０】
また、（特許文献２）に提案されている透明圧電素子を用いる方法は、実際に透明圧電
素子単体で必要変位を得るのに高電圧が必要となるので、光ピックアップなどに適用することは困難であった。更に、圧電体素子は光学的異方性を有するために複屈折を生じ、光ビームが透過する距離が長いと、新たな収差を生じる。そのため、圧電体素子はできるだけ薄い方が望ましいが、その場合には必要な変位が得られないという問題があった。
【００１１】
以下、具体的な問題点について説明する。
【００１２】
図５は（特許文献２）に開示されている波面補正板１００であり、酸化鉛（ＰｂＯ）、ランタン（Ｌａ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）のペロブスカイト構造の透明結晶体１００Ａに、透明電極１００Ｂ、１００Ｂ１〜１００Ｂ３を上下に形成した構成で、光ビームが透過する領域を透明電極１００Ｂ１〜１００Ｂ３で覆われる３つの領域に分割するようになされている。この種の圧電素子においては、印加電圧に応じて素子の厚さが変化するので、光ビームの光路中に介挿した場合、印加電圧に応じて厚さが変化することにより、各透明電極１００Ｂ１〜１００Ｂ３毎に、光ビームの光路長が変化する。従って、光記録読取装置の光路中で発生する収差、すなわち波面の位相ずれを補正するように、透明結晶体１００Ａの膜厚をすれば、光ディスク上の光ビームの収差を補正することができる。
【００１３】
しかしながら、透明結晶体１００Ａ単体の圧電変位で所望の光路長変化を得るには、高い駆動電圧を要して、実用的ではない。例えば、代表的圧電セラミック材料としてよく知られているＰＬＺＴ（７／６２／３８）の印加電圧方向のひずみ量は、１ｋＶ／ｍｍの印加電圧において４×１０-3程度である。波面補正するためには、最低光ビームの波長程度の変位が必要とされる。光源として波長は４０５ｎｍの青紫レーザを用いる場合を考える。上記のＰＬＺＴを透明結晶体１００Ａとして用いる場合に一波長分の厚さ変化を得るためには、透明結晶体１００Ａの厚さは約１００μｍに１ｋＶ／ｍｍの電界強度をかけなければならない。電圧にすると約１００Ｖとなり、実用的ではない。
【００１４】
透明結晶体１００Ａの厚さが大きいことは別の問題を引き起こす。すべての圧電材料は結晶学的及び光学的に異方性を有するために、光が透過すると複屈折を生じる。更にＰＬＺＴは電気光学効果が大きく、電圧印加すると複屈折の度合いは大きくなる。複屈折の度合いが大きくなると新たな収差を発生してしまう。従って、透明結晶体１００Ａの厚さはできるだけ薄い方が良い。しかし、前述のように、透明結晶体１００Ａの厚さが薄いと所望の変位が得られないといった、相反する問題があった。
【特許文献１】特開平１０−７９１３５号公報
【特許文献２】特開平５−１４４０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低電圧で動作し、かつ、複屈折による収差発生の影響がない、収差補正素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために本発明は、素子の厚みが変化することにより透過する光ビームの位相を変調する収差補正素子であって、外部エネルギーによって変形可能な薄膜アクチュエータ部と、光学的等方性を有し、そのヤング率Ｙがすると、１×１０7ＧＰａ＜Ｙ＜１×１０9ＧＰａである位相可変部と、が積層された構造であり、前記薄膜アクチュエータの変形を受けて前記位相可変部の膜厚が変化することによって、前記位相可変部を透過する光ビームの位相を制御する構成とした。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成によって、薄膜アクチュエータ部が発生する応力によってヤング率が小さな材料で構成される位相可変部が容易に変形するので、低電圧で位相可変部の厚さを制御することができる。また、位相可変部を光学的等方体で構成することにより、複屈折の影響がない収差補正素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
請求項１記載の発明は、素子の厚みが変化することにより透過する光ビームの位相を変調する収差補正素子であって、外部エネルギーによって変形可能な薄膜アクチュエータ部と、光学的等方性を有し、そのヤング率Ｙがすると、１×１０7ＧＰａ＜Ｙ＜１×１０9ＧＰａである位相可変部と、が積層された構造であり、前記薄膜アクチュエータの変形を受けて前記位相可変部の膜厚が変化することによって、前記位相可変部を透過する光ビームの位相を制御することを特徴とする収差補正素子であり、薄膜アクチュエータ部が発生する応力によってヤング率が小さな材料で構成される位相可変部が容易に変形するので、低電圧で位相可変部の厚さを制御することができる。また、位相可変部を光学的等方体で構成することにより、複屈折の影響がない収差補正素子を提供することができる。
【００１９】
請求項２記載の発明は、前記薄膜アクチュエータ部が、圧電膜と、前記圧電膜の両面に分割して配置された電極と、圧電膜の少なくとも一方の膜面側に形成された弾性膜とを有することを特徴とする請求項１記載の収差補正素子であり、薄膜アクチュエータが圧電膜と弾性膜からなるユニモルフ構造とすることにより大きな変形量が得られ、低電圧での駆動が可能となる。
【００２０】
請求項３記載の発明は、前記薄膜アクチュエータ部が、熱膨張係数が互いに異なる少なくとも２種の材料で構成された膜を積層して構成した透明な積層膜と、前記積層膜を加熱する加熱手段とを有することを特徴とする請求項１記載の収差補正素子であり、前記薄膜アクチュエータ部は温度制御によって動作するので、より低い電圧で動作させることができる。
【００２１】
請求項４記載の発明は、光ビームが透過する領域を避けて、前記薄膜アクチュエータが前記位相可変部上に形成されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１記載の収差補正素子であり、光ビームが透過する領域に薄膜アクチュエータ部がないために、光ビームの吸収、散乱、複屈折の影響がより少ない収差補正素子を提供することができる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。同一の構成要素には、複数の図面にわたって同一の参照符号が付されている。
【００２３】
図１（ａ）に本発明にかかる一実施の形態を示す。収差補正素子１０は薄膜アクチュエータ部１１と位相可変部１２とから構成され、お互いに密着して配置される。更に薄膜アクチュエータ部１１は圧電膜１４とその両面に配置される透明電極１３、１５および、透明電極１３、１５のいずれか一方の側に配置される透明弾性膜１６とから構成される。
【００２４】
従来の技術に表す図５との違いは、透明弾性膜１６を有することと、位相可変部１２を有することである。図５において、透明結晶体１００Ａは透明電極１００Ｂ〜１００Ｂ１を介して電圧を印加することにより、電圧印加方向に伸縮し、波面補正板１００の厚さが変化する。しかし、上記の透明結晶体１００Ａの伸縮量は小さい。本発明は、薄膜アクチュエータ部１１を圧電膜と弾性膜を積層したユニモルフ構造として圧電膜の電圧方向の変位を横方向の変位に変換することにより、薄膜アクチュエータ部１１の変形量を拡大できることを利用するものである。これは、膜厚方向に比べて面方向の長さがはるかに大きいので、同じひずみを発生した場合でも、圧電膜の膜厚方向の変形量よりもはるかに大きい
面方向の変形量を利用するという、バイメタルで周知の変形量の拡大方法である。ただし、薄膜アクチュエータ部１１だけでは、大きな変形は得られるが、膜厚の変形はごくわずかである。そこで、薄膜アクチュエータ部１１に、薄膜アクチュエータ部１１の変形を受けて表面の形状が変わる、位相可変部１２を密着させる。
【００２５】
図１（ｂ）に示すように位相可変部１２は薄膜アクチュエータ部１１との接着面だけが変形するので、位相可変部１２の厚さを変化させることができる。位相可変部１２は透明電極１３側に接着されても良いし、あるいは、弾性膜１６側に接着されても良い。球面収差の補正には一般に球面形状が必要であるが、透明電極１３，１５を分割して配置することによって任意の３次元形状に薄膜アクチュエータ部１１を変形させることができ、球面収差以外のコマ収差や非焦点収差などを補正することもできる。このように、本発明では、薄膜アクチュエータ部１１によって透明で剛性が小さな位相可変部の膜厚を変えることによって、位相可変部を透過する光ビームの収差を補正することができる。
【００２６】
位相可変部１２の材料としては、透明で光学的に等方性を有することが好ましい。特に好ましいのは、ヤング率をＹとすると、１×１０7ＧＰａ＜Ｙ＜１×１０9ＧＰａの範囲の固体状樹脂である。Ｙ＞１×１０9の場合は薄膜アクチュエータ部１１の変位量が小さくなるので好ましくない。また、Ｙ＜１×１０7ＧＰａの場合は、構造体としての剛性が不足するので好ましくない。具体的には高分子材料やガラスなどの無機材料であるが、所望のヤング率となるように、多孔質体やゲル体として用いてもよい。更に望ましいのは屈折率ｎが大きい材料である。例えば膜厚がΔｄ変化した場合、光路としてはΔｄ×ｎ変化したことに相当する。一般的に、樹脂の屈折率は１．３〜１．６程度なので、位相補正量を３０％〜６０％拡大することができる。圧電膜１４としてはＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ／Ｔｉ）Ｏ3）に代表されるＰｂ系ペロブスカイト酸化物やＢａＴｉＯ3系ペロブスカイト酸化物、ＡｌＮなどが用いられ、透明電極１３，１５にはＩＴＯが用いられ、透明弾性膜１６としてはＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、あるいは硬質樹脂などが用いられる。一例として、圧電膜１４の膜厚は３μｍ、透明電極１３，１５の膜厚は０．５μｍ、透明弾性膜１６の膜厚は１μｍ、透明電極１３，１５の形状は１ｍｍΦが推奨される。円形の透明電極１３、１５を用いたときは、収差補正素子１０の表面形状は、図４示すように球面形状となる。図４は収差補正素子表面の等高線（ａ）および変位図（ｂ）を示す。本発明の構成によれば、図４において、ＤＣ１０Ｖ駆動で中心の変形量５〜１０μｍを得ることができる。この変位量は青紫レーザー光の波長（λ＝４０５ｎｍ）に比べて十分大きく、球面収差を低電圧駆動で補正できる。
【００２７】
図２に本発明にかかる一実施の形態を示す。図１と異なるのは薄膜アクチュエータ部１１が、熱膨張係数が互いに異なり互いに貼り合わされた透明な弾性膜Ａ１７と弾性膜Ｂ１８、加熱手段１９と、から構成されている。加熱手段１９によって弾性膜Ａ１７と弾性膜Ｂ１８が過熱されると、互いの熱膨張係数の差によって薄膜アクチュエータ部１１が変形し、位相可変部１２の膜厚が変化する。弾性膜Ａ１７と弾性膜Ｂ１８を分割して配置することによって、薄膜アクチュエータ部１１の形状を任意に変形することができる。また、単に分割配置するだけではなく、所定の領域で弾性膜Ａ１７と弾性膜Ｂ１８を積層する順番を変えることによっても形状を制御することができる。
【００２８】
図２の実施の形態では弾性膜Ａ１７、弾性膜Ｂ１８の２つの弾性膜を用いたが、３つ以上の積層膜を用いても良い。また、同じ組成の積層膜でも、例えば組成や組織によって熱膨張係数に異方性があれば、同様に組合わせて用いることができる。加熱手段１９としては、例えば薄膜ヒータがある。パターン化したＲｕＯ2薄膜に電流を流すことにより、ジュール熱と放冷によって弾性膜Ａ１７、弾性膜Ｂ１８の温度を制御する。また、レーザーや白熱光を加熱手段として用いることができる。レーザーを照射して加熱する場合、積層膜中に特定の波長を吸収する材料を含有させれば、積層膜だけを過熱することができ、熱
効率が向上するとともに、他の部材に熱負荷をかけることを軽減できる。また、光加熱を用いれば、圧電駆動やヒータ過熱で必要な電極からの引き出し配線が不要であるため、対称性の高いミラー変形が得られたり、素子の実装が簡便になる効果がある。
【００２９】
図３に本発明にかかる一実施の形態を示す。図１と異なるのは薄膜アクチュエータ部１１が、光ビームが透過する領域を避けて配置されていることである。図３の構成により、透明電極や透明弾性膜１６や透明圧電膜が有する光学的散乱や、吸収、複屈折の影響を排除することができる。また、電極と弾性膜は透明体である必要は無く、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属を用いることができる。弾性膜に導電体材料を用いる場合には、電極と弾性膜の間に層間絶縁膜を挿入すれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明によれば、小型な形状可変素子が製造可能で、特にミラーを取り付けることにより、精度の高い収差補正を行うことができるので、ＣＤ／ＤＶＤドライブレコーダ、デコーダ、ＣＤ／ＤＶＤドライブなどに用いられる光学ピックアップ、特に、青色レーザーを用いた光学ピックアップや収差の補正が必要な光学装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る一実施の形態を示す断面図
【図２】本発明に係る一実施の形態を示す断面図
【図３】本発明に係る一実施の形態を示す断面図
【図４】本発明に係る一球面収差補正素子の表面の等高線および変位図
【図５】従来の透明圧電素子を用いた収差素子の外観図
【符号の説明】
【００３２】
１０    収差補正素子
１１    薄膜アクチュエータ部
１２    位相可変部
１３，１５    透明電極
１４    圧電膜
１６    透明弾性膜
１７    弾性膜Ａ
１８    弾性膜Ｂ
１９    加熱手段
１００    波面補正板
１００Ａ    透明結晶体
１００Ｂ、１００Ｂ１〜１００Ｂ３    透明電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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