(57)【要約】光学記録媒体（１０２）の情報層（１０４）をスキャンするための光学スキャニング装置は光ビーム（１０８）を発生する光源（１１０）と光ビームを情報層上に収束させる高い開口数を持つ対物システム（１１８）を含む。本対物システムは第１レンズ（１１６）と第２レンズ（１１７）を含む。第１レンズはガラス本体を有し、第２レンズはプラスチックからなる。第１レンズと第２レンズの球面収差の温度依存度の符合は異なり、これにより対物システム全体としての球面収差の温度依存度を減らしている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発射する光源と前記情報層上に光ビームを収束させる対物システムを含み、該対物システムは第１のレンズと第２のレンズを含み、第１のレンズはガラス本体を含み、第２のレンズはプラスチックからなり、第１のレンズと第２のレンズの球面収差の温度依存度の符合が異なっていることを特徴とする光学記録媒体の情報層をスキャンする光学スキャニング装置。
【請求項２】
前記対物システムは０．６５以上の開口数を持ち、第１と第２のレンズの球面収差の温度依存度の符合が異なり、第１のレンズと第２のレンズの球面収差の温度依存度の大きさが実質的に等しく、対物システムの球面収差の温度依存度が３０Ｋの温度変化に対して３０ｍλOPDrms未満である請求項１に記載の光学スキャニング装置。
【請求項３】
情報層より出射する光を情報信号に変換するための検出システムと、情報信号のエラー補正を行う情報処理ユニットを含む請求項１に記載の光学スキャニング装置。
【請求項４】
光ビームをフォーカスするための第１レンズと第２レンズを含み、前記第１レンズはガラス本体を含み、前記第２レンズはプラスチックからなり、前記第１レンズと前記第２レンズの球面収差の温度依存度の符号は異なることを特徴とする対物システム。
【請求項５】
前記対物システムは０．６５より大きい開口数を有し、第１レンズと第２レンズの球面収差の温度依存度の大きさが実質的に等しく、対物システムの球面収差の温度依存度が３０Ｋの温度変化に対して３０ｍλOPDrms未満である請求項４に記載の対物システム。
【請求項６】
第１レンズのマウントを含み、該マウントと前記第２レンズが１つの構成ユニットを形成する請求項４に記載の対物システム。
【請求項７】
第１レンズが０．２未満の倍率を持ち、第２レンズが０．２より大きい大きい倍率を持つ請求項４に記載の対物システム。
【請求項８】
第２レンズは０．６未満の倍率を持つ請求項４に記載の対物システム。
【請求項９】
第２レンズはCOC により造られる請求項４に記載の対物システム。
【請求項１０】
第２レンズは０．３５＜β＜０．４５の範囲の倍率を持つ請求項９に記載の対物システム。
【請求項１１】
ガラスからなる第１レンズとプラスチックからなる第２レンズを含み、波長λの光ビームをフォーカスするための０．６５以上の開口数を持つ対物システムを製造する方法であって、
第１レンズと第２レンズの球面収差の温度依存度の符号が実質的に等しくすることにより、３０Ｋの温度変化に対して３０ｍλOPD rms未満の球面収差の温度依存度を持つ対物システムを設計するステップと、
前記設計に従い第１レンズと第２レンズを製造し、該第１レンズと該第２レンズを対物システムに組み立てるステップ、を含む対物システムを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は光学記録媒体をスキャンするための光学的スキャニング装置、このようなスキャニング装置に使用する対物システム及びこのような対物システムを製造するための方法に関する。
【０００２】
光学的な記録においては光学記録媒体上の情報密度がより高くなるにつれて、情報をスキャンするためにはより小さい光スポットを伴う必要がある。より小さい光スポットは、記録媒体上のスキャニング装置における光ビームをフォーカスするために使用する開口数（ＮＡ）のより高い対物システムにより実現される。例えば、いわゆるデジタルビデオレコーダ（ＤＶＲ）で使用されるような高ＮＡ対物システムの例としては、シリンドリカルマウントに設けられた二つの偏平−非球面レンズを含む。この二つのレンズはいわゆるガラス−２Ｐスプロセスにより製造される。この対物システムは容易に組み立てられ、二つのレンズの中心ずれに影響を与えることなく、レンズ相互の距離の調整と傾斜した配列を可能にする（特許出願WO EP01/02156(PHNL000132) 及びWO EP01/02348(PHNL000269)を参照）。光源に面している第１のレンズは、いわゆるＤＶＤやCD−Rのスキャンシステムで使用されているような単一レンズの対物システムのために作られる通常のレンズと同様なサイズを持つ。記録媒体に面する第２のレンズはより小さいサイズを持つ。既知の対物システムの欠点は、ガラス−２Ｐプロセスを使用する第２のレンズの製造の難しさにある。他の欠点は、一つの対物システムについて、二つのレンズとマウントの３つの要素の組立てにより費用のかかる点である。
【０００３】
本発明の目的は、高いＮＡを持つ対物システムの製造コストを低くすることである。本発明の他の目的は、レンズ間の中心ずれを生じることなく傾斜した配列と容易な組立ての可能性を維持することである。
【０００４】
上記第１の目的は、対物システムの第１のレンズがガラス本体を含み第２のレンズがプラスチックで造られ、第１のレンズと第２のレンズの球面収差の温度依存度が異なるようにしたときに達成される。第１のレンズは、例えば、ガラスモールディングやガラス−２Ｐプロセスなどのような通常の方法で造られる。第２のレンズは比較的コストの安いプラスチック注入モールディングにより造ることができる。
【０００５】
プラスチック要素の使用により生じる問題は、開口数が増加するにつれて高くなる対物システムの温度安定性である。本発明は、設計温度からのレンズ温度の偏差は、主な収差として球面収差を持ち込むか、或いは既に存在する球面収差を変更するという認識に部分的に基づいている。球面収差を調整するためには、レンズの球面収差の温度依存度（即ち、温度に対する球面収差の偏り）は正にしたり負にしたりすることができるという知見が採用されている。換言すれば、対物システムにおける温度が変わると、対物システムにおける一つのレンズの球面収差の増加が他のレンズの球面収差の減少を伴う。二つのレンズの球面収差の互いに反する作用が、対物システム全体の球面収差の温度依存度を少なくとも部分的に補償する。
【０００６】
この補償は、比較的温度変化に敏感な０．６５以上の高い開口数を持つ対物システムに特に有利である。第１及び第２のレンズの球面収差の温度依存度の大きさは、実質的に等しくするのが好ましく、これにより、温度の３０度の変化により全体として引き起こされる対物システムの球面収差の温度依存度は補正後において好ましくは３０ｍλ未満で、多くの要請される応用に好適なレンズとすることができる。
【０００７】
本発明の有利な点は、この温度補償は、スキャン装置に付加的なレンズを必要としないで対物システムの二つのレンズに組み込むことができるといことにあり、この二つのレンズは製造上の理由によりすでに存在しているものである。更に、対物システム内の補償は、コリメータレンズのような他の光学要素よりも好ましい。対物システムの温度は対物システムに近いアクチュエータの加熱により部分的に決まるため、コリメータ及び対物システムの温度は等しくする必要がなく、その結果、コリメータによる誤った温度補償をもたらす結果となる。対物システムのレンズ自体が温度変化に対して互いに補償する場合はこの問題は生じない。
【０００８】
好ましい実施例においては、第２のレンズとマウントが一つの注入モールディングプロセスにより造られるように第２のレンズは第１のレンズのマウントと一体化される。比較的小さい第２レンズとマウントとの一体化は第２のレンズの取り扱いを容易にする。マウントが円筒形状をしている場合は、円筒状マウント内での第１レンズの取付けは特許出願WOEP01/02156に説明された方法と同様の方法により行われる。この方法は第１レンズのガラス本体（ガラス−２Ｐ）がガラス本体の半径より大きい厚さを持つときに可能である（同様にWO EP01/02348を参照）。その結果、第２レンズが注入モールディング技術によりより容易に製造でき、また、両方のレンズがガラス−２Ｐ法で造られるとき３つの要素に替えて組立ては２つだけの要素で達成されるため大きなコスト減が達成される。これは本発明の第２の目的を達成する。
【０００９】
レンズにより引き起こされる球面波面収差の倍率の温度依存度はレンズの倍率の関数であるという洞察は、球面収差の温度依存度に所望の値を与えることができるように、レンズの倍率に適用できる。
【００１０】
本発明は、光学記録媒体の情報層をスキャンするスキャニング装置に関し、この装置は光ビームを発射する光源と前記情報層に光ビームを収束させる対物システムを含み、この対物システムは第１のレンズと第２のレンズを含み、本発明によれば、第１のレンズはガラス本体を含み、第２のレンズはプラスチックからなり、第１のレンズと第２のレンズの球面収差の温度依存度の符合が異なっている。
【００１１】
本発明の更なる態様は、波長λを持つ光ビームをフォーカスするための開口数が０．６５以上で、ガラスからなる第１のレンズとプラスチックからなる第２のレンズを含む対物システムを造る方法であり、第１と第２のレンズの球面収差の温度依存度の符合が異なり、第１のレンズと第２のレンズの球面収差の温度依存度の大きさが実質的に等しくなるようにすることにより、対物システムが球面収差の温度依存度が３０Ｋの温度変化につき３０ｍλOPDrms未満となるように設計するステップと、本設計に従い第１のレンズと第２のレンズを製造するステップと、第１のレンズと第２のレンズを対物システムに組み立てるステップとを含む。
【００１２】
以下、本発明は図面を伴う参照例により、より詳細に説明される。
【００１３】
図１は二つのレンズからなる対物システムを示す。
【００１４】
図２は、温度３０Ｋの増加により生じる対物システムの波面収差OPDrmsを第２レンズの倍率βの関数として示す。
【００１５】
図３、４及び図５は、第２のレンズがPMMA, COC及びPCで造られるときの対物システムの波面収差を第２レンズの倍率βの関数として示す。
【００１６】
図６は対物システムを含む光学記録媒体をスキャンするための装置を示す。
【００１７】
図１は本発明により対物システムの実施例を示し、レンズの中心ずれに影響を与えることなく傾斜した配列と容易な組立てを可能とするものである。この対物システムは、球面レンズ本体の半分以上を囲む実質的に球面レンズ本体を含む第１レンズと、プラスチックからなる第２レンズと、円筒状のプラスチック製マウントを有する。第１レンズの光学的有効直径は第２レンズよりのそれより大きい。図における第１レンズは、ガラス本体２と硬化ラッカーからなる薄い非球面層３により造られるガラス−２Ｐレンズ１である。第２レンズ４は同じプラスチック材料からなる円筒状マウント５と一体化されて単一の構成ユニットを形成している。第１レンズ１の球形ガラス本体厚さｄと半径ｒは、ｄ＞ｒの関係にある。要素６は、第１のレンズ、マウント及び第２のレンズが組み立てられた状態の対物システムである。図中、光ビームは上部から対物システムに入り、出射ビームは対物システムの下方の位置にフォーカスされる。出射ビームにより形成されるスポットによりスキャンするために光学記録媒体の情報層をこの位置に配置することができる。
【００１８】
図１の対物システムの実施例は、１．５ｍｍの入射瞳の直径と、０．８５の記録媒体側の開口数と、４０５ｎｍの設計波長と、０．１５ｍｍのレンズとディスクの間の自由動作距離及び厚さ０．１ｍｍの記録媒体の透明層を有している。
【００１９】
図２は温度が変化したときの第２レンズの挙動を示している。図は、第２レンズの温度が３０Ｋだけ増加した時の対物システム全体の波面収差の変化を示している。収差は第２レンズの倍率βの関数としてプロットしてある。第２レンズの倍率が変化するとき、対物システムの全体の映像特性は、第１レンズの特性と第１と第２のレンズ間の距離における対応する変化によって維持される。光路差（OPDrms）の２乗平均の値として知られているように波面収差が現れる。図中、負のOPDrｍsは球面収差Ａ４０のZernike係数が負であることを意味している。図中の３つの線は、第２レンズがポリメチルメタクリラート（PMMA）、サイクリックオレフィンコポリマー（COC）、ポリカルボネート（PC）により造られたものを示している。PMMA、COC、PCの熱特性は表Iに示されている。無限共役（infinite conjugate）（β＝０）を持つレンズについては球面波面収差の変化は、正で大きい。略０．３より大きい倍率βについては、波面収差は負である。０．２＜β＜０．８に対しては、温度上昇に伴う波面収差は比較的小さい。この理由は、倍率はホイヘンス無収差条件に対応する倍率（β〜１／ｎ２，ｎは第２レンズの屈折率）と曲率中心に対応する倍率（β〜１／ｎ）により決まる範囲に近似しているからである。ガラス−２Ｐレンズはプラスチックレンズより低い温度特性を持つため、高いＮＡ数を持つ対物システムにおけるプラスチックレンズの倍率は、ガラス−２Ｐレンズとプラスチックレンズの組合せで低い温度特性を達成するためには、０．２＜β＜０．８の範囲とする必要がある。
【００２０】
【表１】
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本発明は、ガラス−プラスチックの高いＮＡを持つ対物の耐熱性を光学的記録のために十分に広くすることを可能とし、これは以下の詳細な例の説明により明らかとなるであろう。
【００２１】
ＤＶＲスキャンニング装置において使用される対物システムの実施例は無限共役（infinite conjugate）で動作し、第１レンズは光源に面し、第２レンズは記録媒体の面する。それは、４０５nmの波長を持つコリメートされた光ビームを、厚さ０．１mmの透明ＰＣ層（n=１．６２２３）を通して光学記録媒体上の情報にフォーカスするように記録媒体上に配置されるように設計される。入射瞳直径は３．０mmで対物の開口数ＮＡはＮＡ＝０．８５である。自由移動距離ＦＷＤはＦＷＤ＝０．１５ｍｍである。この対物システムは、プラスチックからなる平坦−球面第２レンズを伴う平坦−球面ガラス−２Ｐ第１レンズからなる。第１レンズのガラス本体は、ジアクリル（n=１．５９８７）からなる表面上の薄い非球面ラッカー層を持つＦＫ５ショットガラス（ｎ＝１．４９８９）で造られる。
【００２２】
第１レンズの光軸上の厚さは２．３ｍｍに固定される。これとは別に、第１レンズは、例えばガラスモールディングを使用して全てをガラスで造ることができる。この対物システムの設計は、異なる材料と、視野の公差、２つのレンズの心ずれ公差、許容される共役調整（conjugate adjustment）を伴うディスク厚の変化の公差及び温度公差に関する要件に基づくメリット関数を使用した第２レンズの倍率に対して最適化される。
【００２３】
ＣＯＣの第２レンズと倍率０．４を持つこの対物システムの実施例は下記の設計パラメータを持つ。第１レンズは光源に面する凸面と、２．４ｍｍの曲率半径を持つ。凸面上のラッカー層の回転可能な対称形非球面形状は下記の式により与えられる。
【００２４】
【数１】
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ここで、θＮ＝θ・Rbase／ｒA  であり、
ｓはラッカー層の光軸における厚さから局部的厚さの偏差であり、凸面上の点に垂直に沿って測ったミリメータ値であり、θは光軸と凸面の曲面中心から凸面の前記点までの半径との間のラジアン角度、ｒａはミリ単位の凸面のセミ−ダイアメター（semi-diameter）、ａ２ｉは２ｉ番目パワー、即ちθの係数である。光軸上のラッカー層の厚さは０．０１５ｍｍである。係数ａ２からａ１６までの値は、夫々、０．１０７０５５８８，−２２５４６３７３，０．０８７８５０３２９，０．０７９４９６５５６，−０．２１３９３１６１，−０．５０５６１３６，及び１．２６６３０４３である。第１レンズの凸面と反対側の境界面は無限大の曲率半径を持つ。対物システムの第２レンズはＣＯＣで造られ、光軸上で１．３６３ｍｍの厚さを持ち、第１レンズと０．１００ｍｍの間隔が置かれている。第１レンズに向けられている第２レンズの凸面は、下記式で与えられる回転対称非球面形状をなしている；
【００２５】
【数２】
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ここで、ｚは光軸方向の表面の位置でミリメータで測定した値、ｒは光軸までのミリメータ距離、ｂ２ｉはｒの２ｉ番目パワーの係数である。
ｂ２からｂ１６までの値は、夫々、０．４９９８２０７５、０．１２６４８３６１、−０．０１５９０３６０８、０．２７３１７４０５、−０．４７７６５０９９、０．３９４９６０４９、−０．０８５０４１及び−０．１０２７５８７５である。第２レンズの他の面は無限大の曲率半径を持つ。
【００２６】
対物システムの光学特性の温度依存度を解析する場合、第２要素と同じ材料で造られるマウントの温度膨張が考慮される。図３，４及び５は、第２レンズがPMMA,COC及びPCで夫々造られている場合の波面収差の変化を、第２レンズの倍率の関数として示している。収差の上限として３０ｍλOPDをとった場合、温度影響により球面収差と偏芯公差の相乗効果に基づく全てのケースに対して、βは好ましくは０．５未満である。PMMAの場合、視野公差は倍率をβ＞０．２６に制限し、一方、COC と PCの場合は、更なる制限は生じない。
【００２７】
小さいβにとって、システムの光学的パワーの殆どは第２レンズにあり、第１レンズは小さいパワーのみを持つため、製造を容易にするため、第２レンズの倍率βを小さくしすぎてはならない。その結果、倍率βは０．３より大きくする必要がある。上記パラグラフで述べた上限と組み合わせると、好ましい範囲として０．３から０．５が得られる。
【００２８】
更に、図はCOC を第２レンズの材料として使用したとき、最良の性能が得られることを示している。この場合、βが０．３５から０．４５の範囲、好ましくは実質的に０．４に等しいとき、望ましい設計を得ることができる。
【００２９】
上述の実施例は、対物システムにおける小さい倍率を持つレンズが大きい倍率のレンズを持つレンズより光源に近くに位置していることを示しているが、大きい倍率を持つレンズを小さい倍率を持つレンズより光源の近くに配置するようにすることもできる。
【００３０】
この対物システムは、例えば、いわゆるDVR光学システムにおける光学記録システムに使用することができる。
【００３１】
図６はDVR タイプの光学的記録媒体１０２をスキャンするための装置１０１を示している。光学記録媒体は情報層１０４が配置されている側の面に透明層１０３を有している。透明層から離れた側の情報層は保護層１０５により周囲より保護されている。装置に面している透明層側は入射面１０６と呼ばれる。透明層１０３は情報層機械的保護を与える記録媒体の基板として機能する。それとは別に、透明層はそれ自体で記録媒体を保護する機能を持つようにすることができ、一方において機械的保持を情報層の他方の面の層、例えば、保護層１０５、或いは更なる情報層と情報層１０４に結合した透明層によりに持たせるようにすることができる。情報は記録媒体の情報層に図していない実質的に並行で、同心的スパイラル状のトラックに検出可能に配置された記号の形態で記録される。この記号はいかなる光学的に読取り可能な形態でもよく、例えば、ピットの形態、反射率又は周囲と異なる磁化方向を持つ領域、又はそれらを組み合わせた形態とすることができる。
【００３２】
スキャン装置１０１は光ビーム１０８を発射する光源を備えている。図に示された光源は半導体レーザ１１０からなる。ビームスプリッタ１１３は光路上のする光ビーム１０８をコリメータレンズ１１４に反射させ、ビーム１０８を平行ビーム１１５に変換する。平行ビーム１１５は対物システム１１８の第１レンズ１１６に入射し、続いて第２レンズに入射する。対物システムは２つ又はそれ以上のレンズ及び／又は回折格子を備えてもよい。対物システム１１８は光軸１１９を有する。対物システム１１８はビーム１１５を収束ビーム１２０に変換し、記録媒体１０２の入射面１０６に入射する。対物システムは透明層１０３の厚みを通るビーム通路に適用される球面収差補正を持っている。収束ビーム１２０は情報層１０４上にスポット１２１を形成する。情報層１０４で反射された光はビームを形成し、対物システムにより実質的に平行ビーム１２３に変換され、次いでコリメータレンズ１１４により収束ビームに変換される。ビームスプリッタ１１３は検出システム１２５に向かう収束ビームの少なくとも一部を伝達して直進ビームと反射ビームに分割する。検出システムは光を捕捉し、電気出力信号１２６に変換する。信号処理装置１２７が出力信号を種々の他の信号に変換する。一つの信号は、値が情報層１０４から読み取られた情報を示す情報信号１２８である。情報信号はエラー補正１２９のために情報処理ユニットで処理される。信号処理装置１２７からの他の信号はフォーカスエラー信号及びラジアルエラー信号１３０である。フォーカスエラー信号はスポット１２１と情報層１０４との間の軸方向の高さの差を示す。ラジアルエラー信号はスポットとスポットにフォローされる情報層のトラックの中心の情報層１０４の面内での距離を示す。フォーカスエラー信号とラジアルエラー信号はサーボ回路１３１に送られ、そこではこれらの信号をフォーカスアクチュエータとラジアルアクチュエータを夫々制御するためのサーボ制御信号に変換する。アクチュエータは図示されていない。フォーカスアクチュエータは対物システム１１８のフォーカス方向１３３の位置を制御し、これにより、スポットの実際の位置が情報層１０４の面と実質的に一致するように制御する。ラジアルアクチュエータは、対物レンズ１１８の半径方向の位置を制御し、これによりスポット１２１の半径方向の位置を情報層１０４内でフォローされるトラックの中心線と実質的に一致するように制御する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】二つのレンズからなる対物システムを示す。
【図２】温度３０Ｋの増加により生じる対物システムの波面収差OPDrmsを第２レンズの倍率βの関数として示す。
【図３】第２のレンズがPMMAで造られるときの対物システムの波面収差を第２レンズの倍率βの関数として示す。
【図４】第２のレンズが COCで造られるときの対物システムの波面収差を第２レンズの倍率βの関数として示す。
【図５】第２のレンズがPCで造られるときの対物システムの波面収差を第２レンズの倍率βの関数として示す。
【図６】対物システムを含む光学記録媒体をスキャンするための装置を示す。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004524645.tif 000028
2004524645.tif 000029
2004524645.tif 000030
2004524645.tif 000031
2004524645.tif 000032