JP2000515663A - 記録媒体を光学的に走査する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 記録媒体を大きな開口数を有する放射ビームで光学的に走査する装置について説明する。放射ビームは対物レンズ及び平−凸レンズにより記録媒体上に集束する。平−凸レンズは記録媒体に対して数１０μｍのギャップを有する。この走査装置は放射ビームを平−凸レンズの無収差点から３０焦点深度離れた位置に集束させる。結果として、このレンズは側方移動に対して比較的大きな公差を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 記録媒体を光学的に走査する装置 本発明は、情報面及び透明層を有する記録媒体を光学的に走査する光学式走査 装置であって、放射ビームを透明層を介して情報面上の焦点に集束させる対物レ ンズ及び平−凸レンズを具え、前記平−凸レンズが対物レンズと対向する凸面及 び前記透明層と対向する平面を有する光学式走査装置に関するものである。 光記録媒体に記録できる情報量は、特に走査装置により情報層上に形成される 放射スポットの大きさに依存する。情報密度つまり記録される情報量はスポット の大きさを小さくすることにより増大させることができる。このスポットサイズ はスポットを形成する放射ビームの開口数を増大することにより小さくなる。単 一の対物レンズを用いる場合、この開口数の増大は一般的に放射ビームを形成す るレンズの自由作動距離を短くすることにより、すなわち記録媒体とレンズとの 間の距離を最短にすることにより達成される。開口数が大きい場合、対物レンズ の製造コストが高くなり、レンズの視野が狭くなり、レンズ材料の分散により問 題が生じてしまう。これらの問題は、対物レンズと記録媒体との間に平−凸レン ズを挿入することにより解消される。しばしばスライダレンズ(slider lens)又 はソッド イマージョン レンズ(solid immersion lens)と称されている平−凸 レンズが記録媒体の上方に極めて短い距離で配置されている。この場合、放射ビ ームの集束性は対物レンズ及び平−凸レンズに分配される。平−凸レンズを用い る利点は、平−凸レンズが放射ビームに収差をほとんど導入しないことにある。 このような平−凸レンズを有する走査装置は欧州特許出願第０７２７７７７号 から既知である。この走査装置は、対物レンズ及び平−凸レンズが放射ビームを ０．８４の開口数（ＮＡ）に集束して記録媒体を走査する光ヘッドを具えている 。平−凸レンズは記録媒体の上方に極めて短い距離だけ離れて配置されている。 このレンズは数μｍの自由作動距離を有する。この走査装置の光ヘッドが記録媒 体の表面の上方で移動して表面上の埃粒子と衝突すると、光ヘッド及び記録媒体 が 損傷してしまう。従って、自由作動距離は記録媒体上に存在する可能性のある汚 れの大きさよりも大きくする必要がある。この既知の走査装置の欠点は、自由作 動距離が長くなるほど光ヘッドの製造の困難性が増大することである。 本発明の目的は、容易に製造することができる高開口数の放射ビームで記録媒 体を走査する走査装置を実現することにある。 この目的は、冒頭部で述べた走査装置において、対物レンズ及び平−凸レンズ を、この平−凸レンズの無収差点から集束性放射ビームの３０焦点深度以上の距 離だけ離れた位置に焦点を形成するように構成したことを特徴とする本発明によ り達成される。 既知の光ヘッドの製造の困難性は、平−凸レンズの対物レンズの位置に対する 側方変位に対する厳格な公差に起因している。平−凸レンズの平面と記録媒体と の間のギャップにより記録媒体上に集束する放射ビームに球面収差が導入される 。この球面収差は対物レンズにおいて補償することができる。結果として、収差 の無いビームではなく収差を含むビームが平−凸レンズに入射する。この収差に より、対物レンズ及び既知の平−凸レンズの光軸と直交する方向における芯立て が重要になる。芯立ての公差は自由作動距離が増大するほど一層厳格になる。対 物レンズ及び平−凸レンズは、記録媒体を適切にトラッキングするためには好ま しくはその光軸に沿って移動可能とする。既知の平−凸レンズ及び対物レンズに 課せられる厳格な位置の公差により、これらを移動させるためのアクチュエータ が高価になってしまう。 既知の光ヘッドの厳格な公差は、この光ヘッドの設計の結果である。高倍率顕 微鏡の対物レンズ及び高密度光記録媒体のような平−凸レンズを用いて開口数の 大きなビームを形成する用途において、放射ビームは平−凸レンズの無収差点に 常時集束する。この理由は、この場合だけ平−凸レンズが単色性収差を導入する ことなくビームの開口数を増大させるからである。例えば、刊行物「Principles of Optics」M.Born及びE.Wolf著，第６版，Pergman Press,１９８０，Page２５ ３を参照されたい。 本発明による光ヘッドの公差は、対物レンズ及び平−凸レンズの異なる設計に より既知の光ヘッドの公差よりも大幅に大きい。本発明の設計では、放射ビーム を平−凸レンズの無収差点に集束させず、この無収差点と一致しない点に集束さ せる。レンズの側方移動に対する公差を相対的に大きく増大させることにより、 本発明による平−凸レンズにより導入される収差の増大は比較的小さなものとな る。焦点と無収差点との間の距離が無収差点から放射ビームの３０焦点深度離れ ている場合、公差が増大することにより光ヘッドの製造が大幅に簡単になる。焦 点深度はλ／（４（１−cos α））に等しい。ここで、λは放射ビームの波長で あり、αは空気中における集束性ビームの円錐部の半角である。屈折率ｎの媒質 中でαの半角を有する集束性ビームの焦点深度は、空気中での焦点深度の約ｎ倍 になる。開口数ＮＡは（ｎsin α）に等しい。自由作動距離が、埃粒子がレンズ と記録媒体との間を通過できる数１０μｍに増大すると、公差は比較的大きくな る。ギャップが５０μｍ以上の場合、焦点と無収差点との間の距離は好ましいこ とに１００焦点深度以上になる。 記録媒体の透明層の厚さ変化に対する公差を増大させるため、透明層の屈折率 ｎ₁は好ましくは平−凸レンズの屈折率ｎ₂よりも大きくする。 屈折率ｎ₂よりも小さな屈折率を有する平−凸レンズと屈折率ｎ₁よりも大きな 屈折率を有する透明層との間のギャップにより生ずる球面収差は、少なくとも部 分的に補償される。この場合、対物レンズにより導入される球面収差の量は減少 し、これにより上述した位置の公差がさらに増大する。これらの屈折率は、好ま しくは（ｎ₁−１）＞１．０３（ｎ₂−１）の関係を満たすようにする。 焦点と無収差点との間の距離は、一般的に平−凸レンズと記録媒体との間のギ ャップの大きさに依存する。μｍで測定した好適な距離は３Ｒｄ_gapにほぼ等し い。ここで、Ｒは凸面のμｍでの半径であり、ｄ_gapは平−凸レンズの平面と透 明層との間のμｍでの距離である。この距離は対物レンズ及び平−凸レンズの実 際の設計に依存する。この距離は上述した値の＋１５０％から−５０％の範囲内 に存在し、ｎ₁＞ｎ₂の場合上記値の±２０％の範囲内に存在する。焦点は、好ま しくは平−凸レンズの２個の無収差点間に配置する。 焦点において最小の球面収差を得るため、ギャップｄ_gapの大きさは、平−凸 レンズの屈折率ｎ₂及び透明基板の屈折率ｎ₁についての以下の関係、 ｄ_gap／ｄ_s＝（ｎ₂／ｎ₁）×（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／（ｎ₂ ²−１）に基づいて規定 する。このｄ_gap値は、ｄ_gapよりも大きなｄ_s値について４０％の範囲内でこの 関係を満たすことが好ましい。ここで、ｄ_sは透明層の厚さである。このｄ_s値は 、適切な屈折率の有用な材料を得るため、好ましくはｄ_gap値よりも大きくする 。 本発明による平−凸レンズは既知の平−凸レンズの倍率とは異なる倍率となる ように設計する。既知のレンズは１／ｎ₂の倍率を有し、ここでｎ₂はレンズ本体 及び透明層の両方の屈折率である。従って、既知のレンズは無収差点を利用する ように動作し正弦条件（ｓｉｎｅ条件）に従う。本発明による平−凸レンズは、 好ましくは１．１／ｎ₂ ²と０．９９／ｎ₂との間の倍率で動作し、より好ましく は０．７／ｎ₂と０．９９／ｎ₂との間の倍率で動作する。この範囲において、対 物レンズにより補償される球面収差の量は、同様な大きさのギャップを有する既 知の装置の対物レンズにより補償される量よりも小さい。この既知の設計とは異 なる設計により、平−凸レンズの自由作動距離における側方移動に対する公差を 一層大きくすることができる。付加的に、透明層の屈折率ｎ₁が平−凸レンズの 屈折率ｎ₂よりも大きくなるように選択される場合、側方移動に対する公差はさ らに増大すると共に透明層の厚さ変化に対する公差も増大する。 本発明の目的、利点及び構成について添付図面に記載した実施例の記載に基づ いて明らかにする。 図１は走査装置を示す。 図２対物レンズ及び平−凸レンズを示す。 光学式記録媒体１を走査する装置を示す。記録媒体は透明層２を有し、この透 明層の一方の側に情報層３を形成する。この情報層の透明層とは反対側は保護層 ４により環境の影響から保護する。透明層の装置と対向する側は入射面５と称す る。透明層２は情報層を機械的に支持することにより記録媒体の基板として作用 する。或いは、透明層は情報層を保護する機能だけを有し、機械的な支持は情報 層の他方の側の層により、例えば保護層４により又は別の情報層及び情報層３に 結合した透明層により行うことができる。情報は、記録媒体の情報層３にほぼ平 行なトラック、同心状のトラック又は螺旋状のトラック（図示せず）として結合 した光学的に検出可能なマークの形態として記録することができる。これらのマ ークは、光学的に読み取り可能な形態として、例えば周囲部分とは異なる反射係 数又は磁化方向を有するピット又は区域の形態或いはこれらの組合せの形態とす ることができる。 この走査装置は、例えば発散性の放射ビームを放出する半導体レーザのような 放射源６を具える。例えば半透明プレートのビームスプリッタ８により放射をレ ンズ系に向けて反射する。レンズ系はコリメータレンズ９、対物レンズ１０及び 平−凸レンズ１１を具える。コリメータレンズ９は発散性放射ビーム７を平行ビ ーム１２に変換する。光軸１３を有する対物レンズ１０は平行にされた放射ビー ム１２をレンズ系１１に入射する集束性ビーム１４に変換する。コリメータレン ズ９及び対物レンズ１０は単一のレンズとして結合することができる。平−凸レ ンズ１１は入射したビーム１４を情報層３上に焦点１６を形成する集束性ビーム １５に変換する。平−凸レンズ１１は凸面及び平坦な面を有する。平坦な面は透 明層２と対向し、このレンズと透明層との間にギャップを形成する。対物レンズ １０は図面上に単一の素子として表示したが、それ以上の素子で構成することが でき、或いは透過又は反射モードとして動作するホログラム又は放射を放射ビー ムを伝搬させる導波路の外部に導く回折格子で構成することもできる。情報層３ で反射した集束性ビーム１５の放射は反射ビーム１７を形成し、この反射ビーム は集束性ビーム１４の光路を戻る。対物レンズ１０及びコリメータレンズ９は反 射ビーム１７を集束性の反射ビーム１８に変換し、ビームスプリッタ８は反射ビ ーム１８の少なくとも一部分を検出装置１９に向けて透過させることにより前進 ビームと反射ビームとを分離する。放射は検出装置に入射し、この検出装置は１ 個又はそれ以上の電気信号に変換する。これらの信号のうちの１個は情報信号で あり、その値は情報層３から読み取られた情報を表す。別の信号は焦点誤差信号 ２１であり、その値は焦点１６と情報層３との間の光軸方向の高さの差を表す。 焦点誤差信号は対物レンズ及び／又は平−凸レンズ１１の光軸方向の位置を制御 する焦点サーボコントローラ２２用の入射信号として用いられ、これにより焦点 １６が情報層３の面とほぼ一致するように焦点１６の光軸方向の位置が制御され る。１個又はそれ以上の放射検知素子及びこれら検知素子からの出力信号を処理 する電気回路を含み焦点誤差信号を発生させる検出装置の部分は焦点誤差検出装 置と称する。レンズ系を位置決めする焦点サーボ系は焦点誤差検出装置、焦点サ ーボコントローラ及びレンズ系を移動させるアクチュエータを具える。 ギャップ、すなわちレンズ１１の平面と記録媒体１の入射面との間の距離は極 めて微小な値に維持する必要がある。これは、レンズ１１を支持する能動型空気 ベアリング構造を用いることにより達成できると共にギャップをこの微小な値に に維持するように設計することができる。この微小な値からの実際のギャップの 変移を表す光学的に取り出された誤差信号を用いこともできる。この場合、誤差 信号をアクチュエータサーボループに対する入力信号として用いることにより、 特別なアクチュエータにより平−凸レンズを透明層からの予め意図した距離に維 持する。レンズ１０のアクチュエータは、焦点１６を情報層３上に維持する焦点 誤差信号により制御する。 設計した厚さよりも厚い透明層を介して放射ビームを合焦させる必要の場合に 生ずる球面収差は、対物レンズの集束作用により補償する。この集束作用により 、倍率変化に起因して平−凸レンズがある量の球面収差を発生し、この球面収差 はより厚い透明層により発生する収差をキャンセルする。対物レンズの集束動作 が行われる間に、ギャップを上述した方法でその微小な値に維持する必要がある 。 図２対物レンズ１０及び平−凸レンズ１１を拡大して示す。対物レンズ１０は 単一非球面平−凸レンズ又は両非球面レンズとすることができる。この対物レン ズ１０は、平−凸レンズ１１及び透明層２により導入される球面収差を補償する ように既知の方法で設計され、これにより焦点１６付近の放射ビームをほとんど 球面収差のないビームとすることができる。 表１は平−凸レンズ１１の設計パラメータを示す。設計番号１及び５は従来技 術によるものであり、設計番号２〜４及び６〜７は本発明によるものである。こ の表のパラメータは以下の意義を有している。すなわち、ｄ_gapは平−凸レンズ １１の平面と透明層２の入射面５との距離であり、Ｒは平−凸レンズの凸面の半 径であり、ｎ₂はレンズ材料の屈折率であり、ΔＳは焦点と１／ｎ₂の倍率に対応 する無収差点との間の距離である。ΔＳは１／ｎ₂ ²の倍率に対応する無収差の方 向に屈折率ｎ₂の媒質中で測定する。Ｂは平−凸レンズの１／ｎ²単位の倍率であ る。Ｆはレンズ視野中の距離３０μｍにおける焦点近傍の２乗平均(ＲＭＳ) の波面誤差である。Ｄは平凸レンズの３０μｍ側方変位に対するＲＭＳ波面誤差 である。Ｔは透明層２の厚さが設計厚さよりも３０μｍ薄い場合のＲＭＳ波面誤 差である。 この放射の波長は６５０ｎｍとに集束性ビーム１５のＮＡは０．８５とする。 焦点深度は０．３４３μｍに等しい。透明層２の設計厚さは設計番号１〜７につ いて同一であり６００μｍに等しい。この透明層の屈折率は１．５８０６、すな わち波長６５０ｎｍにおけるポリカーボネート（ＰＣ）の屈折率である。設計番 号１〜３、５及び６の平−凸レンズ１１はポリカーポネートで作成する。設計番 号４及び７の平−凸レンズはスコットのカタログによるガラスＢＫ１０及びＫ５ でそれぞれ作成した。平−凸レンズの光軸方向の厚さは、ギャップ厚さ、透明層 の厚さ、平−凸レンズの曲率半径及び倍率により規定した。 表１ 平−凸レンズの設計パラメータ この表の設計番号１は、５０μｍのギャップの場合の従来の設計ルールに基づ く平−凸レンズのパラメータを示す。このレンズ材料の屈折率は透明層２の屈折 率に等しく、焦点は倍率１／ｎ₂に対応する無収差点に一致する。 本発明の設計番号２はＰＣの屈折率と同一の屈折率を用いているが、無収差点 から３０μｍの距離だけ離れた位置にビーム焦点を有している。この距離は８７ 焦点深度に対応する。３０μｍ中心から変移した位置におけるＲＭＳ波面誤差は ６１〜５５ｍλに減少している。この走査装置が中心ずれとして３０μｍの公差 が課せられる場合、１０％の波面誤差を有益に用いて走査装置の光学的に密な波 面誤差(tight optical wavefront error)による他の公差を減少させることがで きる。この波面誤差は中心ずれにおける１次線形近似(a first approximation l inear)が成立するので、設計番号２により平−凸レンズの中心ずれに対して１０ ％大きな公差が許容される。透明層の厚さ変化の公差も１０％以上増大した。 第３の設計はＰＣの屈折率を用いているが、無収差点から２９５μｍ離れた位 置に焦点を有する。中心ずれに対する公差は、レンズの視野が僅かに犠牲になる が、３倍増大した。透明層の厚さに対する公差も増大している。 第４番目の設計は透明層の屈折率よりも低い屈折率を用い、無収差点から１９ ７μｍ離れた位置に焦点を有する。このレンズの視野は従来技術の第１の設計の レンズの視野にほぼ等しい。中心ずれの公差は第３の設計よりもさらに低下し、 層の厚さに対する公差は第１の設計に比べて５倍増大している。 第５の設計は２５μｍのギャップに対する従来技術の設計基準による平−凸レ ンズのパラメータを示す。このレンズ材料の屈折率はＰＣの屈折率に等しく、焦 点は倍率１／ｎ₂に対応する無収差点に一致している。 本発明による第６の設計はＰＣの屈折率を用いているが、無収差点から２１６ μｍの距離だけ離れた位置に焦点を有する。レンズの視野及び中心ずれに対する 公差の両方並びに層の厚さに対する公差は約２倍増大している。 ７番目の設計は透明層の屈折率よりも低い屈折率を用い、無収差点から９２μ ｍの位置に焦点を有する。視野は第５の設計よりも一層大きい。中心ずれに対す る公差は第５の設計に比べて４倍増大している。走査装置の側方移動に対する光 学的な量(optical budget)が３０ｍλの場合、第５の設計による平−凸レンズは 側方移動に対して２７μｍの公差を有し、これに対して第７の設計による平−凸 レンズは６９μｍの公差を有している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．情報面及び透明層を有する記録媒体を光学的に走査する光学式走査装置であ って、放射ビームを透明層を介して情報面上の焦点に集束させる対物レンズ及 び平−凸レンズを具え、前記平−凸レンズが対物レンズと対向する凸面及び前 記透明層と対向する平面を有する光学式走査装置において、前記対物レンズ及 び平−凸レンズを、この平−凸レンズの無収差点から集束性放射ビームの３０ 焦点深度以上の距離だけ離れた位置に焦点を形成するように構成したことを特 徴とする光学式走査装置。 ２．請求項１に記載の光学式走査装置において、前記透明層及び平−凸レンズが それぞれｎ₁及びｎ₂の屈折率を有し、ｎ₁の値をｎ₂の値よりも大きくした光学 式走査装置。 ３．請求項２に記載の走査装置において、前記屈折率ｎ₁及びｎ₂が、（ｎ₁−１ ）＞１．０３（ｎ₂−１）の関係にある光学式走査装置。 ４．請求項１又は２に記載の光学式走査装置において、Ｒを前記凸面のμｍでの 半径とし、ｄ_gapを前記平面と透明層との間のμｍでの距離とした場合に、前 記焦点と無収差点との間のμｍでの距離が３Ｒｄ_gapにほぼ等しい光学式走査 装置。 ５．請求項１に記載の光学式走査装置において、ｎ₂を前記平−凸レンズの屈折 率とした場合に、前記平−凸レンズの倍率が１．１／ｎ₂から０．９９／ｎ₂の 範囲に存在する光学式走査装置。