JP5552008B2 - 光情報記録再生光学系及び光情報記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の規格の光ディスクの記録層にレーザ光束を照射して情報の記録及び／又は再生を行うための光情報記録再生光学系に関連し、特にＢＤ（Blu-ray Disc）等の高記録密度光ディスクに対する情報の記録及び／又は再生に適した光情報記録再生光学系に関する。また、本発明は上記の光情報記録再生光学系を搭載した光情報記録再生装置に関する。

光ディスクには、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）といった記録密度や保護層の厚みが異なる複数の規格が存在する。また、近年では、情報記録のさらなる高容量化を実現した、ＤＶＤよりも記録密度が一層高い高記録密度光ディスクが実用化されている。そのような高記録密度光ディスクとして、例えばＢＤが一般に普及している。ここで、光ディスクの記録層にレーザ光束を照射して情報の記録及び／又は再生を行う装置を光情報記録再生装置という。なお、本明細書において、「光情報記録再生装置」とは、「情報の記録専用装置」、「情報の再生専用装置」、「情報の記録および再生兼用装置」の全てを含む。「光情報記録再生光学系」についても同様である。なお、以下の説明において、「光情報記録再生光学系」を「光ピックアップ光学系」とも呼ぶ。

光情報記録再生装置により光ディスクの記録又は再生を行う際、光ピックアップ光学系を構成する対物レンズやコリメートレンズ等の光学素子の光学面で発生する不要な反射光や散乱光が信号光に干渉して、記録又は再生される信号が劣化することがある。このため、光ピックアップ光学系を構成する対物レンズ等の光学面には、反射防止膜や、埃の付着を抑制する帯電防止膜等の各種機能膜が設けられることが多い。

ところで、ＢＤ等の高記録密度光ディスクに対する記録・再生を行うには、レーザ光束が光ディスクの記録層上で細いスポット径に集光される必要がある。このため、例えば４００ｎｍ付近の短波長のレーザ光（以下「青色レーザ光」という。）が使用され、開口数ＮＡが大きく（例えばＢＤでは０．８５）焦点距離が短い対物レンズが使用される。このような対物レンズは、レンズ面の曲率半径が小さいため、レンズ面の周辺部においてレーザ光の入射角が大きくなり、反射率が高くなる。そのため、対物レンズを透過した光束のリム強度（対物レンズの光軸付近を透過する光の強度に対する周辺部を通過する光の強度）が低下し、記録層上に集光されるスポットの周辺部がぼやけ、スポット全体のパワーも低下するという問題がある。

この問題に対して、特許文献１は、曲率半径の小さい対物レンズの入射面に、対物レンズの中心部における透過率が低く、周辺部における透過率が高い反射防止膜を設けることにより、記録層におけるスポット径を細くする技術を開示している。

また、高記録密度光ディスクに対する記録・再生に使用される青色レーザ光は、光子エネルギーが高いため、光学素子の基材に化学的に作用して変質させやすい。このため、例えば反射防止膜がコーティングされた樹脂レンズに、高温環境下で青色レーザ光線を一定以上のパワー密度で長時間照射すると、コーティングされた樹脂レンズの光学面に微細な形状変化が発生して、収差や光学効率等の光学特性が劣化することが知られている。この問題に対して、特許文献２は、樹脂基材の材料変更による対策を提案している。

特開２００８−２１７８８６号公報 特開２００５−２５１３５４号公報

しかしながら、反射防止膜の反射率分布を、特に対物レンズのような複雑な立体形状を有する光学面上に高い位置分解能で制御することは難しく、特許文献１に提案される透過率分布の実現は、現在知られている加工技術によっては極めて困難である。また、特許文献１に提案される透過率分布は、青色レーザ光を長時間照射したときに基材に形状変化を生じさせ易いコーティング材料を使用せずには実現することが難しい。

一方、特許文献２には、樹脂基材に脂環式構造を有する樹脂を使用することで、機能膜との密着性の低下を抑制する技術が提案されている。しかしながら、樹脂材料は光学素子、延いては光ピックアップ光学系の特性を決定づける最も重要な設計パラメータの一つであり、樹脂材料の選択範囲に大きな制限を加えることは設計の自由度を著しく損なうため好ましくない。実際に、特許文献２が提案する構成によっては、例えばＢＤ用の光ピックアップ光学系に要求される光学特性を実現することができない。また、特許文献２が提案する構成によっては、光学素子のコート面の形状変化が発生するまでの時間をある程度延長することは可能であるが、十分な耐光性を達成することができない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、機能膜が形成された光学素子に高温環境下において十分な耐光性を与えつつ、リム強度の低下を補償して光ディスクの記録層上に細径のスポットを集光可能な光情報記録再生光学系、及び該光学系を搭載した光情報記録再生装置を提供することを目的とする。

本発明により、光ディスクの記録層にレーザ光束を当て、光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生用光学系が提供される。本発明の実施形態に係る光情報記録再生用光学系は、レーザ光束を発生する光源と、光源から出射された光束を略平行光に変換する光学素子と、光学素子からの光束を光ディスクの記録層に集光するための対物レンズとを有している。レーザ光束の波長λ（単位：ｎｍ）は、次の条件式（１）に定める範囲内にある。
３９０＜λ＜４２０ …（１）
また、光学素子及び対物レンズは、それぞれガラス転移温度Ｔｇが次の条件式（２）に定められる範囲内にある同一又は異なる種類の樹脂材料からなる。
Ｔｇ＞１１５℃ …（２）
対物レンズにおける光ディスク側の光学面、光学素子における光源側の光学面、光学素子における光ディスク側の光学面には、それぞれ多層膜である第１の機能膜、第２の機能膜、第３の機能膜が形成されている。また、対物レンズにおける光ディスクと反対側の光学面には、４層以上の多層膜である第４の機能膜が形成されている。第４の機能膜は、チタン（Ｔｉ）を含む層を含んでいない。第１、第２、第３の機能膜は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）から形成される非高屈折率層を含んでいる。また、第１、第２、第３の機能膜は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）のいずれかの化合物を含む層を含んでいない。第４の機能膜の最も基材に近い第１層は非高屈折率層であり、第４の機能膜において、垂直入射光に対する反射率が最大となる波長λ_{ｍａｘ（２）}及び最小となる波長λ_{ｍｉｎ（２）}が、それぞれ次の条件式（３）及び（４）に定める範囲内にある。
３５０＜λ_{ｍａｘ（２）}＜４２０ …（３）
６００＜λ_{ｍｉｎ（２）}＜７５０ …（４）
第４の機能膜の垂直入射光に対する反射率はλ_{ｍａｘ（２）}からλ_{ｍｉｎ（２）}にかけて単調減少する。

機能膜への入射角度が大きくなるほど反射率が最小となる波長は短波長側にシフトすることが分かっている。そのため、条件式（３）を満たすことにより中心部の反射率を上げることができ、条件式（４）を満たすことで入射角度の大きい周辺部での反射率を下げ、リム強度を上げることができる。条件式（３）を満たさない場合には、中心部の反射率が低くリム強度を改善することができず、膜厚のバラつきによって大きく特性が変化してしまうといった問題が発生する。条件式（４）を満たさない場合には、入射角度の大きい周辺部での反射率が下げられずリム強度を改善することができない。
また、第４の機能膜の垂直入射光に対する反射率はλ_{ｍａｘ（２）}からλ_{ｍｉｎ（２）}にかけて単調減少しない場合には、入射角度に対する透過率の変動が滑らかな単調変化でなくなることにより、スポット形状への悪影響が起こる。

上記の構成により、ＢＤ等の高記録密度光ディスク用の光ピックアップ光学系としての必要な光学特性を備え、耐光性に優れ、更にリム強度の低下を抑えて低ジッター化が可能な光ピックアップ光学系が実現される。

第４の機能膜は、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）のいずれかの化合物、又は、これらの二以上の混合物から形成される高屈折率層を含んでいてもよい。

第４の機能膜においては、対物レンズの光ディスク側の面に比べて光のエネルギー密度が小さいため、基材との間に非高屈折率層を設ければ上述の化合物を含む高屈折率層を用いることができる。機能膜に高屈折率層を設けることにより、機能膜の光学特性を広範囲に設定可能となり、所望の光学特性が得られる。

対物レンズにおける光ディスク側の光学面に形成された第１の機能膜の垂直入射光に対する反射率が、３５０〜４００ｎｍの波長域において１０％以上となるように第１の機能膜が構成されることが望ましい。

対物レンズの光ディスク側の光学面の反射特性が更にこのような条件を満たす場合、リム強度のさらなる改善が達成される。

上記の光情報記録再生用光学系は、光源と光学素子の間に光源からの光を複数の回折光に分割するための回折格子を含んでいてもよい。

対物レンズにおける光ディスク側の光学面に形成された第１の機能膜の垂直入射光に対する最小反射率を与える波長λ_{ｍｉｎ（１）}が、次の条件式（５）に定める範囲内に入るように第１の機能膜が構成されていることが望ましい。
４３０＜λ_{ｍｉｎ（１）}＜６００ …（５）
機能膜への入射角度が大きくなるほど反射率が最小となる波長は短波長側にシフトすることが分かっている。そのため、条件式（５）の下限を超えた場合には、中心の垂直入射となる部分に比べて斜入射となる周辺の透過率が大きく下がりリム強度を改善することができない。上限を超えた場合には、全体の透過率が下がりすぎてしまう。

第１の機能膜が基材側上に第１層から第３層までが番号順に積層された３層膜である場合に、第１層〜第３層を形成する材料の波長４０６ｎｍにおける屈折率をそれぞれｎ１〜ｎ３とし、第１層〜第３層の厚さをそれぞれｄ１〜ｄ３（単位：ｎｍ）としたときに、第１の機能膜の各層の屈折率及び厚さは次の範囲内にあることが望ましい。
第１層： ｎ１≦１．５５， ４０≦ｄ１≦１００
第２層： １．５５＜ｎ２≦１．７０， ４０≦ｄ２≦１５０
第３層： ｎ３≦１．５５， ４０≦ｄ３≦１００

このように基材の屈折率に近い、比較的に低い屈折率の層から機能膜を構成すると、機能膜にレーザ光のパワーが局在することがなく、耐光性の良い光学面が得られる。また、機能膜の各層の屈折率及び厚さを上記範囲内に設定することにより、光学面に垂直入射する設計基準波長付近の光線に対する反射率が低くなり、光量の確保に有利である。

第４の機能膜が基材側上に第４層から第７層までが番号順に積層された４層膜である場合に、第４層〜第７層を形成する材料の波長４０６ｎｍにおける屈折率をそれぞれｎ４〜ｎ７とし、第４層〜第７層の厚さをそれぞれｄ４〜ｄ７（単位：ｎｍ）としたときに、第４の機能膜の各層の屈折率及び厚さは次の範囲内にあることが望ましい。
第４層： ｎ４≦１．５５， １０≦ｄ４≦１００
第５層： １．５５＜ｎ５≦１．７０， ２０≦ｄ５≦ ５０
第６層： １．８０≦ｎ６， ４０≦ｄ６≦１００
第７層： ｎ７≦１．５５， １００≦ｄ７≦２００

上記の構成により、基材と高屈折率層との間に一定の間隔が設けられる。これにより基材が高屈折率層から熱的あるいは化学的な影響を直接受け難くなり、光学面の耐光性が向上する。基材と高屈折率層との間に遷移元素を含まない複数の層を設けることにより、基材と高屈折率層との間隔を確保することができる。また、機能膜の各層の屈折率及び厚さを上記範囲内に設定することにより、光軸付近の透過率が低く、レーザ光束の周辺部の光線に対する透過率が高くなり、リム強度を改善することができる。これにより、ジッターが低くなる。

第４の機能膜が基材側上に第４層から第７層までが番号順に積層された４層膜である場合に、第４層〜第７層を形成する材料の波長４０６ｎｍにおける屈折率をそれぞれｎ４〜ｎ７とし、第４層〜第７層の厚さをそれぞれｄ４〜ｄ７（単位：ｎｍ）としたときに、第４の機能膜の各層の屈折率及び厚さは次の範囲内にあることが望ましい。
第４層： ｎ４≦１．５５， ２０≦ｄ４≦１５０
第５層： １．５５＜ｎ５≦１．７０， ３０≦ｄ５≦１００
第６層： ｎ６≦１．５５， ３０≦ｄ６≦１００
第７層： １．５５＜ｎ７≦１．７０， ３０≦ｄ７≦１００

機能膜の各層の屈折率及び厚さを上記範囲内に設定することにより、光軸付近の透過率が低く、レーザ光束の周辺部の光線に対する透過率が高くなり、リム強度を改善することができる。

また、本発明により上記の光情報記録再生用光学系を備えた光情報記録再生装置が提供される。

本発明の構成によれば、ＢＤ等の高記録密度光ディスク用の光ピックアップ光学系として十分な光学特性を達成しつつ、機能膜が設けられた対物レンズ等の光学素子の光学面に十分な耐光性を与え、更にリム強度が改善されてジッターの低い光情報記録再生光学系が実現する。

本発明の実施形態に係る光ピックアップ光学系の概略構成を示す図である。 本発明の実施例で使用される光学膜Ｆ１〜Ｆ１０の反射スペクトルである。 本発明の実施例で使用される光学膜Ｆ１１及びＦ１２の光学面の反射スペクトルである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る光ピックアップ光学系、及びこの光ピックアップ光学系が搭載される光情報記録再生装置について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光情報記録再生装置に搭載される光ピックアップ光学系１００の概略構成を表す模式図である。本実施形態の光情報記録再生装置は、ＢＤ規格に準拠した高記録密度光ディスクＤ（以下「光ディスクＤ」という。）に対する情報の記録や再生を行う装置である。

図１に示されるように、光ピックアップ光学系１００は、光源１、ハーフミラー２、コリメートレンズ３、対物レンズ４、及び受光部５を有している。なお、図１に示される一点鎖線は、光ピックアップ光学系１００の基準軸ＡＸを示す。また、細い実線は光ディスクＤへの入射光束またはその戻り光を示している。また、以下の説明において、光源１からのレーザ光束がコリメートレンズ３に入射する光学面（光源側の光学面）をＡ面３１、コリメートレンズ３から出射する光学面（対物レンズ側の光学面）をＢ面３２、Ｂ面３２から出射したレーザ光束が対物レンズ４に入射する光学面（光ディスクとは反対側の光学面）をＣ面４１、対物レンズ４から出射する光学面（光ディスク側の光学面）をＤ面４２と呼ぶ。

光ディスクＤは、図示省略された保護層及び記録面を有している。なお、実際の光ディスクＤにおいては、記録面は保護層と基板層（あるいはレーベル層）によって挟持されている。また、光ディスクＤは、図示省略されたターンテーブル上にセットされ、回転された状態で記録面に光源１が発生するレーザ光束が当てられて情報の記録又は再生が行われる。

光源１は、設計基準波長４０６ｎｍの青色レーザ光を照射する半導体レーザである。一般に光ピックアップ光学系に使用されるファブリ・ペロー型半導体レーザの発振波長λ（単位：ｎｍ）は、使用環境や製品個体差により数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の範囲（例えば４００〜４１０ｎｍ）で変動する。

図１に示されるように、光源１から照射されたレーザ光束は、ハーフミラー２により偏向されてコリメートレンズ３のＡ面３１に入射する。Ａ面３１からコリメートレンズ３に入射したレーザ光束は、略平行光束に変換された後、Ｂ面３２にてコリメートレンズ３から出射し、対物レンズ４のＣ面４１に入射する。Ｃ面４１に入射したレーザ光束は、対物レンズ４のＤ面４２から出射して、情報の記録または再生の対象となる光ディスクＤの記録面近傍に収束する。収束したレーザ光束は、光ディスクＤの記録面上で収差の少ない良好なスポットを形成する。そして、レーザ光束は、光ディスクＤの記録面で反射して、入射時と同一の光路を戻り、ハーフミラー２を透過して受光部５により受光される。なお、コリメートレンズ３は、ディスク厚誤差、波長変動、温度変化等に起因して発生する球面収差を打ち消すため、光軸ＡＸ方向に位置調節されてレーザ光束の発散度を僅かに変える。このように、コリメートレンズ３から射出される光束は、厳密には完全な平行光束でなく実質的に平行光束と呼べる範囲で僅かに発散し又は収束することがある。そのため、本明細書中、コリメートレンズ３から射出される光束は、「略」平行光束と表現している。

受光部５は、受光したレーザ光束を光電変換してアナログ信号を生成し、図示省略された信号処理回路に出力する。信号処理回路は、入力されたアナログ信号をビットストリームに変換して所定の誤り訂正処理を行う。次いで、誤り訂正されたビットストリームをオーディオストリームやビデオストリーム等の各ストリームに分離してデコードする。信号処理回路は、デコードして得られたオーディオ信号やビデオ信号等をアナログ信号に変換してスピーカやディスプレイ（何れも不図示）に出力する。これにより、光ディスクＤに記録された音声や映像等がスピーカやディスプレイを通じて再生される。

対物レンズ４は、光ディスクＤに対する情報の記録や再生が適切に行われるように、使用波長λにおける光ディスクＤ側の開口数ＮＡが例えば０．８〜０．８７の範囲に収まるように構成されている。

コリメートレンズ３及び対物レンズ４は、合成樹脂から成形された樹脂製レンズである。樹脂製レンズはガラス製レンズに比べて軽量であるため、対物レンズ４に樹脂レンズを採用することにより、レンズ駆動用アクチュエータ（不図示）に加わる負担を軽くすることができる。また、樹脂は、ガラスと比べてガラス転移温度が格段に低く、低い温度で成形することができる。このため樹脂製レンズはガラス製レンズと比べて、製造が容易であり、製造に必要なエネルギー消費量も少ない。更に、樹脂製レンズは割れ難く取扱いが容易であり、量産による低コスト化に適している。コリメートレンズ３及び対物レンズ４の材料には、使用波長λにおける屈折率ｎが例えば１．４〜１．７の範囲に収まる樹脂が選択される。また、後述するように、コリメートレンズ３や対物レンズ４の光学面に機能膜がコーティングされている場合、高温環境下で青色レーザ光を光ピックアップ光学系１００に通すと光学素子のコーティングされた光学面において光触媒反応が関与する微細な形状変化が発生する場合がある。このような形状変化は、コリメートレンズ３や対物レンズ４を構成する樹脂のガラス転移温度Ｔｇが比較的に低い場合（具体的には、Ｔｇが１１５℃以下の場合）に頻発する。このため、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の基材に使用する材料には、Ｔｇが１１５℃（望ましくは１２０℃）を超える樹脂が選択される。また、コリメートレンズ３と対物レンズ４の基材に使用される樹脂は、同一種類の樹脂であっても、異なる種類の樹脂であってもよい。なお、コリメートレンズ以外の光学素子を用いて光源から出射された光束を略平行光に変換することでも、本発明の効果を得ることができる。

コリメートレンズ３及び対物レンズ４の両光学面には、機能膜がコーティングされている。これらの機能膜は、光学面に入射するレーザ光束の反射を全体として抑制する反射防止膜としての機能、及び／又はコーティング面を劣化させる短波長成分（例えば３５０〜４００ｎｍ）の透過を抑制する反射型波長フィルタ（透過率調整膜）としての機能を有するものである。なお、コリメートレンズ３の各光学面に機能膜を設けることにより、設計基準波長に近い波長の光が各光学面での反射によって損失される量が減るため、必要な光量が確保され易くなる。また、対物レンズ４のＣ面４１に形成される機能膜は、リム強度を改善する機能も有している。

ところで、光学面に機能膜がコーティングされた樹脂製の光学素子に高温環境下で短波長レーザを長時間照射したときに光学特性が劣化する現象については、その機構は未だ十分に解明されていない。本発明は、様々な実験や解析を通して到達した上記特性劣化のメカニズムに関する本発明者らの仮説に基づいてなされたものである。そこで、次に光学特性の劣化及びそのメカニズムに関する本発明者の知見及び仮説を説明する。

上述のように、樹脂製の基材上に反射防止膜等の誘電体薄膜がコーティングされた光学面に、高温環境下にて紫外領域に近い４００ｎｍ付近の短波長のレーザ光を一定以上の強度で長時間照射すると、光学面に微細な形状変化や変質が発生し、収差や受光されるレーザ光の光量等が変動する。このような形状変化や変質は、約６０℃以上の比較的に高い温度において発生し、チタン等の遷移元素を含む化合物から形成される高屈折率薄膜が成膜された光学面において多く発生する。チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、又はクロム（Ｃｒ）等の光触媒作用をもつ化合物を与える遷移元素が薄膜材料に含まれる場合に形状変化や変質が頻発し、特に光学面に酸化チタンを含む薄膜が成膜されている場合に顕著に見られる。高温環境下では機能膜の光触媒作用が活性化され、機能膜周辺の基材樹脂の化学反応を誘起し、基材樹脂の分解や変質が生じる。その結果生じる光学面の変形や屈折率又は光吸収率の変化によって光学特性の劣化が起こるものと考えられる。

また、青色レーザの照射により収差等の光学特性が劣化した光学素子の光学面を観察すると、しばしば微小な凹凸が確認される。光学面に形成されるこの凹凸は、光学面に照射されるレーザ光束の強度分布（明暗）のプロファイルに対応している。例えば光路中に回折格子が配置された光学系において、回折格子によって発生する縞状の光の強度分布に応じた凹凸が光学系の各レンズ面に発生することがある。また、一面に輪帯段差が形成されたレンズの他面には、輪帯段差の影と一致する同心円状の凹凸が形成される。更に、楕円状の強度分布のプロファイルをもつ青色レーザ光束を光学面に照射すると、光学面にレーザ光束のプロファイルに対応する楕円状の凹部が生じ、非点収差が楕円の長軸方向に変動するという特性劣化が生じる。このような凹凸は、機能膜の光触媒作用により変質・分解を起こした基材の一部が収縮することにより発生すると考えられる。また、光学面の微細な形状変化と光学特性の劣化との相関から、微細な形状変化が特性劣化の直接的な要因の一つと考えられる。光に強度分布があった場合、強度に応じてまた、基材樹脂の分解や変質に伴う屈折率変化によっても収差等が変動すると考えられる。

また、本発明者は、レンズ基材の光学面に酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）のみから形成された機能膜を設けると、高温環境下で青色レーザを照射したときに光学面に微細な形状変化や基材の変質等に伴う光学特性の変化が起こり難いことを見出した。更に、本発明者は、上記機能膜が光触媒作用をもつ酸化タンタル等の遷移金属を含む高屈折率化合物から形成される薄膜層を有していても、樹脂基材との間に酸化シリコン等の層が介在する場合には、光学面の形状変化等が比較的に生じ難いことを見出した。酸化シリコン等の化合物は光触媒作用を有しない。従って、酸化シリコン等の化合物から形成される機能膜が設けられた光学面では、微細な形状変化等は発生しにくいと考えられる。また、機能膜が酸化タンタル等の遷移元素を含む薄膜層を有する場合でも、酸化タンタル等の遷移元素を含む薄膜層と基材との間に酸化シリコン等の薄膜層が介在する場合には、基材が遷移元素を含む層による光触媒作用の影響を直接受けないため、形状変化等が生じ難くなると考えられる。なお、チタンは特に強い光触媒作用をもつ化合物を与える。機能膜にチタンを含む薄膜層を設ける場合には光学膜の特性変化を有効に抑制するため、基材との間に介在させる酸化シリコン等の薄膜層をかなり厚くする必要があり、実現が難しい。

光源１とコリメートレンズ３との間には、トラッキングサーボに利用するためのサブビームを形成するための回折格子（不図示）が配置されている。コリメートレンズ３の各光学面３１、３２及び対物レンズ４のＤ面４２は、回折格子が発生する同心円状の縞状の強度分布をもつ強い回折光に曝されるため、回折光の強度分布に対応した縞状の形状変化を起こしやすい。また、対物レンズ４のＣ面４１に入射する光源１からのレーザ光束は、Ｃ面４１の屈折力により集束されて、例えば５倍以上にパワー密度が増大してＤ面４２に入射する。従って、Ｄ面４２はレーザ光束が透過する領域全体で形状変化を起こしやすい。このため、コリメートレンズ３の各光学面３１、３２及び対物レンズ４のＤ面４２には、特に耐光性の高い機能膜が形成される。

コリメートレンズ３の各光学面３１、３２及び対物レンズ４のＤ面４２に形成される機能膜は、積層された複数層の誘電体薄膜であり、スパッタリングや真空蒸着により樹脂基材上に成膜される。これらの光学面上に形成される機能膜の材料には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）が使用され、光触媒作用をもつ化合物を与えるチタン、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、又はクロム等の元素を含むものは使用されない。また、コリメートレンズ３の各光学面３１、３２及び対物レンズ４のＤ面４２に形成される機能膜は、それぞれ別の構成であっても、全て同じ構成であってもよい。

対物レンズのＣ面４１は、曲率が大きく入射光束に対して斜めに向いているため、対物レンズのＣ面４１が曝されるレーザ光のパワー密度は実質的に低下している。そのため、かかるパワー密度の最大値は、Ａ面３１、Ｂ面３２及びＤ面４２と比べると大幅に低い。また、Ａ面３１等に形成される上記の機能膜では、材料の屈折率が例えば１．７以下と比較的に低いため、調整可能な反射率特性の範囲が大きく限定される。このような機能膜によっては、リム強度を低下させない光学特性を実現することが難しい。そのため、対物レンズのＣ面４１に形成される機能膜には、タンタル等の遷移元素を含む高屈折率材料を使用してリム強度を低下させない光学特性が与えられると共に、タンタル等を含む化合物による影響から基材を保護して一定の耐光性を確保する膜構造が与えられる。具体的には、機能膜の最下層（基材に最も近い層）を光学面の耐光性に与える影響が少ない酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）から形成し、光学面の耐光性に影響を与え得るタンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、又はクロム元素を含む化合物から形成される高屈折率層を直接基材と接触させないようにしている。また、タンタル等の遷移元素を含む高屈折率材料による耐光性の低下を更に確実に防ぐために、基材と高屈折率材料の層との間に耐光性に与える影響が少ない酸化シリコン等の材料の層が２層以上設けられ、全体で少なくとも４層からなる機能膜が形成される。基材と遷移金属含有層との間に酸化シリコン等の層を２層以上設けることにより、基材と遷移金属含有層との間の距離を十分に確保することができる。また、機能膜を４層以上の誘電体層から構成される多層膜とすることで、リム強度を改善するために必要な光学特性を機能膜に与えることができる。なお、光学面の耐光性を特に顕著に低下させ得るチタンを含む材料は、Ｃ面４１の機能膜にも使用されることはない。

また、対物レンズ４のＣ面４１は大きな曲率をもつ曲面であるため、レーザ光源１からのレーザ光束の周辺部の光線はＣ面４１へ大きな入射角で入射する。一般に光学面に設けられる機能膜は、光軸を通る光線に対して特性が最適化されるように構成される。すなわち、一般的な対物レンズの入射面（Ｃ面）に形成される反射防止膜は、設計基準波長のレーザ光が光学面に垂直入射したときに、反射率が低く、レーザ光が低損失で透過できるように構成されている。誘電体多層膜等の機能膜の光学特性は入射角によって変化するため、このように構成された機能膜は大きな入射角の光線に対しては反射率が高く、透過損失が大きくなる。そのため、レーザ光束の中心部の光線はＣ面に対して小さな入射角度で入射するため透過損失は小さく、レーザ光束の周辺部の光線はＣ面に対して大な入射角度で入射するため透過損失が大きくなり、従ってレーザ光束のリム強度（周辺部のパワー密度）が低下する。リム強度が低下してレーザ光束の強度分布がガウス曲線から外れると、ビームウェスト径が太くなる。本発明の実施形態においては、リム強度の低下によるビームウェストの緩みを改善するために、Ｃ面４１に設けられる機能膜は、垂直入射において反射率が最小となる波長λ_ｍｉｎが設計基準波長よりも長い波長（例えば６００〜７５０ｎｍ）となるように構成される。このように構成された機能膜をＣ面４１に設けることにより、Ｃ面４１を通過するレーザ光束の周辺部の光線に対する機能膜の反射率（設計基準波長における値）が低く抑えられ、リム強度が改善される。そのため、レーザ光束はガウシアンビームと同様に細いビームウェスト径に集束され、ジッターが抑えられる。

本発明の実施形態においては、Ｃ面４１に設けられる機能膜は、垂直入射において反射率が最大となる波長λ_ｍａｘが３５０〜４５０ｎｍの範囲に入るように構成されている。また、Ｃ面４１に設けられる機能膜は、垂直入射において反射率が最小となる波長λminが６００〜７５０ｎｍの範囲に入るように構成されている。このように最小反射率となる波長をレーザ光の波長より長波長側にシフトさせることにより、リム強度が改善される。さらに、Ｃ面４１に設けられる機能膜は、垂直入射光に対する反射率がλ_ｍａｘからλ_ｍｉｎまで単調減少するように構成されている。なお、λ_ｍｉｎ、λ_ｍａｘは、それぞれ３００〜８００ｎｍの波長範囲において反射率が最小、最大となる波長である。機能膜の反射スペクトルを使用波長範囲においてこのように滑らかで、極値を有しない波形にすることにより、機能膜を透過又は反射する光の強度分布に強い変調を与えることが防止される。なお、８００ｎｍに近い長波長域の反射波形は、大きな入射角でＣ面４１に入射する光束周辺部の光線の反射に影響を与える。

上記に説明した本発明の実施形態に係る光ピックアップ光学系について、以下に幾つかの実施例を示す。表１に、各実施例（実施例１〜１１）における光ピックアップ光学系１００の具体的構成を示す。また表２に、実施例１〜１１において使用される機能膜Ｆ１〜Ｆ１２の膜構成を示す。

また、各実施例のＣ面４１に適用される機能膜Ｆ１〜Ｆ１０の反射スペクトルを、それぞれ図２（ａ）〜（ｊ）に示す。また、Ａ、Ｂ、及びＤ面に適用される機能膜Ｆ１１及びＦ１２の反射スペクトルを、それぞれ図３（ａ）及び（ｂ）に示す。なお、図２及び図３の反射スペクトルは、各光学素子の光学面に外部から垂直入射した光線の反射率を示すものである。

表１には、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の各光学面に形成される機能膜の構成（略号Ｆ１〜Ｆ１２にて表示）及び基材樹脂のガラス転移温度Ｔｇ、Ｃ面４１における反射率が最大となる波長λ_ｍａｘ、最小となる波長λ_ｍｉｎ、及び耐光性評価試験後のスポット特性の良否が示されている。また、表２には、機能膜Ｆ１〜Ｆ１２のそれぞれについて、膜構成（各層の材料、屈折率ｎ１〜ｎ４、及び厚さｄ１〜ｄ４（単位：ｎｍ））、λ_ｍａｘ及びλ_ｍｉｎが示されている。

いずれの実施形態に使用される基材も、１２１℃以上のガラス転移温度Ｔｇを有する、熱的な形状安定性に優れた樹脂材料から形成されている。すなわち、光学面の形状変化が生じにくい基材材料が選択されている。特に、実施例５では、対物レンズに使用される基材材料のガラス転移温度Ｔｇが１５６℃と非常に高く、基材材料のみによっても大幅な耐光性の向上が達成されていると考えられる。

Ｃ面４１に形成される機能膜Ｆ１〜１０は、いずれも４層構造の誘電体多層膜である。また、Ａ、Ｂ、及びＤ面に形成される機能膜Ｆ１１及び１２は、いずれも３層構造の誘電体多層膜である。誘電体多層膜の層は、基材に最も近い最低層を第１層とし、第１層の上に第２層、第３層、及び第４層の順で積層される。

各実施例の光学面に形成される機能膜（多層膜）は、基本的には低屈折率層（ｎ＜１．５５）及び中屈折率層（１．５５≦ｎ≦１．７０）から構成されている。Ｃ面４１用の一部の光学面に形成される機能膜には、更に高屈折率層（１．７０＜ｎ）が含まれる。低屈折率層及び中屈折率層は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物から形成される。表２に示されるように、実施例では、低屈折率層は主に酸化シリコン（屈折率１．４６）から形成される。一部の機能膜Ｆ３〜Ｆ６では、酸化シリコンに少量の酸化アルミニウムを混合して層の屈折率を多少高めに調整した材料（屈折率１．４９）が低屈折率層に使用されている。また、いずれの実施例の中屈折率層も酸化アルミニウム（屈折率１．６４）から形成されている。低屈折率層及び中屈折率層には、チタン、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、クロムのいずれの元素も含まれていない。また、高屈折率層は、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、又はクロム等の遷移元素を含む化合物（例えば酸化物等）、またはそれらの二以上の混合物から形成される。但し、酸化チタン等のチタンを含む化合物は高屈折率層の材料から除かれる。すなわち、本発明の実施形態においては、コリメートレンズ３及び対物レンズ４の全ての光学面に形成される機能膜には、チタンを含む化合物は一切含まれていない。実施例においては、高屈折率層を有する機能膜Ｆ１〜Ｆ６の高屈折率層の材料として酸化タンタル（屈折率１．９４）が使用されている。

次に、各実施例のＡ面３１、Ｂ面３２、及びＤ面４２に適用される機能膜Ｆ１１及びＦ１２の層構成を詳しく説明する。上述のように、本発明の実施形態においては、コリメートレンズ３の両光学面（Ａ面３１及びＢ面３２）と対物レンズ４の光源側の面（Ｄ面４２）には、次の層構成を有する３層の機能膜が形成される。なお、ｄ１〜ｄ３は、それぞれ第１層〜第３層の厚さ（単位：ｎｍ）である。
第１層 ： 低屈折率層 （ ４０≦ｄ１≦１００）
第２層 ： 中屈折率層 （ ４０≦ｄ２≦１５０）
第３層 ： 低屈折率層 （ ４０≦ｄ３≦１００）
各実施例のＡ面３１、Ｂ面３２、及びＤ面４２には、上記膜構成の機能膜が形成されている。このような３層膜は、光学面の耐光性に悪影響を与えない酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又はこれらの二以上の混合物（例えば酸化シリコンと酸化アルミニウムの混合物）から形成され、また耐光性を低下させるチタン、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、又はクロム等の遷移元素が用いられていないため、耐光性に優れたコーティング面を与える。また、図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、これらの光学面に形成される機能膜Ｆ１１及びＦ１２は、設計基準波長（４０６ｎｍ）の近傍において垂直入射光に対する反射率が低く、光量の確保に有利である。

次に、Ｃ面４１に適用される機能膜Ｆ１〜Ｆ１０の層構成を詳しく説明する。上述のように、いずれの実施例においてもＣ面４１には４層膜の機能膜が形成される。高屈折率層が導入される機能膜Ｆ１〜Ｆ６では、次のような層構造が採用されている。なお、ｄ１〜ｄ４は、それぞれ第１層〜第４層の厚さ（単位：ｎｍ）である。
第１層 ： 低屈折率層 （ １０≦ｄ１≦１００）
第２層 ： 中屈折率層 （ ２０≦ｄ２≦ ５０）
第３層 ： 高屈折率層 （ ４０≦ｄ３≦１００）
第４層 ： 低屈折率層 （１００≦ｄ４≦２００）
なお、高屈折率層は少なくとも第１層には形成されず、第３層以上に形成されることが望ましい。実施例では高屈折率層は全て第３層に形成されている。また、基材と高屈折率層との間に遷移元素を含まない複数の層を設けることにより、基材と高屈折率層との間隔を確保することができる。基材と高屈折率層との間隔（基材と高屈折率層との間に介在する低屈折率層及び／又は中屈折率層の厚さの合計）は、３０〜１５０ｎｍの範囲に設定されることが望ましい。基材と高屈折率層との間に一定の間隔を設けることにより、基材が高屈折率層から化学的な影響を直接受け難くなり、光学面の耐光性が向上する。

また、高屈折率層が導入されない機能膜Ｆ７〜Ｆ１０では、次のような層構造が採用されている。なお、ｄ１〜ｄ４は、それぞれ第１層〜第４層の厚さ（単位：ｎｍ）である。
第１層 ： 低屈折率層 （ ２０≦ｄ１≦１５０）
第２層 ： 中屈折率層 （ ３０≦ｄ２≦１００）
第３層 ： 低屈折率層 （ ３０≦ｄ３≦１００）
第４層 ： 中屈折率層 （ ３０≦ｄ４≦１００）
４層構造を採用することにより、機能膜に所望の光学特性を与えることができる。更に各層の厚さを上記の範囲に設定することにより、リム強度を改善することができる。そのため、レーザ光束はガウシアンビームと同様の細いビームウェスト径に集束され、ジッターが抑えられる。また、３５０ｎｍ〜４００ｎｍの波長範囲において垂直入射光に対する反射率が１０％以上となる反射特性をＣ面４１の機能膜に与えると、リム強度の低下を適切に抑えることができる。

また、表１には、図２及び図３に示される反射スペクトルが最大となる波長λ_ｍａｘ及び最小となる波長λ_ｍｉｎが記載されている。Ａ、Ｂ、及びＤ面に適用される機能膜Ｆ１１及びＦ１２は、設計基準波長（４０６ｎｍ）付近に反射率が最小となる波長λ_ｍｉｎが位置するように調整されている。なお、光学特性上は、機能膜Ｆ１１よりも機能膜Ｆ１２の方が設計基準波長における反射率が低いため望ましい。一方、曲率が大きい対物レンズのＣ面４２に適用される機能膜Ｆ１〜Ｆ１０においては、最小反射率を与える波長λ_ｍｉｎが６００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲に、最大反射率を与える波長λ_ｍａｘが３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲にそれぞれ入るように機能膜のパラメータが設定されている。このように最小反射率となる波長をレーザ光の波長より長波長側にシフトさせた波長特性を機能膜に与えることにより、レーザ光束全体に略均一な反射率を与えることができる。このため、光束が曲率の大きいＣ面４２を透過する際にも光束のリム強度を低下させず、光ディスクＤの記録面上に細径のビームウェストを形成することができる。表１に示されるように、いずれの実施形態においても良好なスポット特性が得られている。これによりジッターが抑えられる。

なお、表１に示される実施例は本発明を説明するための単なる例示である。本発明の実施形態に係る光学面における基材のガラス転移温度、機能膜の層構成、あるいは機能膜の各層の材料（屈折率）や厚さ等は、表１に記載されていないものも含まれる。

１ 光源
２ ハーフミラー
３ コリメートレンズ
３１ Ａ面
３２ Ｂ面
４ 対物レンズ
４１ 第一面、Ｃ面
４２ 第二面、Ｄ面
５ 受光部
１００ 光ピックアップ光学系（光情報記録再生光学系）
ＡＸ 基準軸
Ｄ 光ディスク

Claims (8)

1. 光ディスクの記録層にレーザ光束を当て、光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光情報記録再生用光学系において、
   レーザ光束を発生する光源と、
   前記光源から出射された光束を略平行光に変換する光学素子と、
   前記光学素子からの光束を前記光ディスクの記録層に集光するための対物レンズと
   を有し、
   前記光束の波長λ（単位：ｎｍ）は、次の条件式（１）に定める範囲内にあり、
   ３９０＜λ＜４２０ …（１）
   前記光学素子及び前記対物レンズは、それぞれガラス転移温度Ｔｇが次の条件式（２）に定められる範囲内にある同一又は異なる種類の樹脂材料からなり、
   Ｔｇ＞１１５℃ …（２）
   前記対物レンズにおける前記光ディスク側の光学面、前記光学素子における前記光源側の光学面、該光学素子における該光ディスク側の光学面には、それぞれ多層膜である第１の機能膜、第２の機能膜、第３の機能膜が形成され、
   前記対物レンズにおける前記光ディスクと反対側の光学面には、４層以上の多層膜である第４の機能膜が形成され、
   前記第４の機能膜は、
   チタン（Ｔｉ）を含む層を含まず、
   タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）のいずれかの化合物、又は、これらの二以上の混合物から形成される高屈折率層を含み、
   前記第１、第２、第３の機能膜は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、又は、これらの二以上の混合物から形成される非高屈折率層を含み、
   前記第１、第２、第３の機能膜は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）のいずれかの化合物を含む層を含まず、
   前記第４の機能膜の最も基材に近い第１層は前記非高屈折率層であり、
   前記第４の機能膜において、垂直入射光に対する反射率が最大となる波長λ_{ｍａｘ（２）}及び最小となる波長λ_{ｍｉｎ（２）}が、それぞれ次の条件式（３）及び（４）に定める範囲内にあり、
   ３５０＜λ_{ｍａｘ（２）}＜４２０ …（３）
   ６００＜λ_{ｍｉｎ（２）}＜７５０ …（４）
   前記第４の機能膜の垂直入射光に対する反射率はλ_{ｍａｘ（２）}からλ_{ｍｉｎ（２）}にかけて単調減少することを特徴とする光情報記録再生用光学系。
2. 前記対物レンズにおける前記光ディスク側の光学面に形成された第１の機能膜の垂直入射光に対する反射率は、３５０〜４００ｎｍの波長域において１０％以上となる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光情報記録再生用光学系。
3. 前記光源からの光を複数の回折光に分割するための回折格子を該光源と前記光学素子の間に含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光情報記録再生用光学系。
4. 前記対物レンズにおける前記光ディスク側の光学面に形成された第１の機能膜の垂直入射光に対する最小反射率を与える波長λ_{ｍｉｎ（１）}が、次の条件式（５）に定める範囲内にある
   ４３０＜λ_{ｍｉｎ（１）}＜６００ …（５）
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光情報記録再生用光学系。
5. 前記第１の機能膜は、前記基材側上に第１層から第３層までが番号順に積層された３層膜であり、
   前記第１層〜第３層を形成する材料の波長４０６ｎｍにおける屈折率をそれぞれｎ１〜ｎ３とし、
   前記第１層〜第３層の厚さをそれぞれｄ１〜ｄ３（単位：ｎｍ）としたときに、
   前記第１の機能膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内にある
   第１層： ｎ１≦１．５５， ４０≦ｄ１≦１００
   第２層： １．５５＜ｎ２≦１．７０， ４０≦ｄ２≦１５０
   第３層： ｎ３≦１．５５， ４０≦ｄ３≦１００
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光情報記録再生用光学系。
6. 前記第４の機能膜は、前記基材側上に第４層から第７層までが番号順に積層された４層膜であり、
   前記第４層〜第７層を形成する材料の波長４０６ｎｍにおける屈折率をそれぞれｎ４〜ｎ７とし、
   前記第４層〜第７層の厚さをそれぞれｄ４〜ｄ７（単位：ｎｍ）としたときに、
   前記第４の機能膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内にある
   第４層： ｎ４≦１．５５， １０≦ｄ４≦１００
   第５層： １．５５＜ｎ５≦１．７０， ２０≦ｄ５≦ ５０
   第６層： １．８０≦ｎ６， ４０≦ｄ６≦１００
   第７層： ｎ７≦１．５５， １００≦ｄ７≦２００
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光情報記録再生用光学系。
7. 前記第４の機能膜は、前記基材側上に第４層から第７層までが番号順に積層された４層膜であり、
   前記第４層〜第７層を形成する材料の波長４０６ｎｍにおける屈折率をそれぞれｎ４〜ｎ７とし、
   前記第４層〜第７層の厚さをそれぞれｄ４〜ｄ７（単位：ｎｍ）としたときに、
   前記第４の機能膜の各層の屈折率及び厚さが次の範囲内にある
   第４層： ｎ４≦１．５５， ２０≦ｄ４≦１５０
   第５層： １．５５＜ｎ５≦１．７０， ３０≦ｄ５≦１００
   第６層： ｎ６≦１．５５， ３０≦ｄ６≦１００
   第７層： １．５５＜ｎ７≦１．７０， ３０≦ｄ７≦１００
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光情報記録再生用光学系。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光情報記録再生用光学系を備えた光情報記録再生装置。

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