JP2005222612A - 対物光学素子および光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の波長を用いて異なる基板厚の光媒体に対応でき、さらに、同じ波長を用いながら、単層のみならず多層の光媒体に対応できる対物光学素子を提供する。
【解決手段】複数の領域に分割し、ＤＶＤに対しては、光軸から離れるに従って球面収差ＳＡの絶対値が増大し、かつ、隣り合う領域ごとに符号が異なるようにする。一方、ＣＤに集光スポットを形成するのに必要な開口領域には光路差付与構造を設けて収差の絶対値が所定値以下になるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ピックアップ装置、及び光ピックアップ装置に用いられる光学素子に関するものであり、より詳しくは、複数の層を有する光ディスクへの情報の書き込みに適した光ピックアップ装置に関する。

従来から現在にかけて、ＣＤ（コンパクト・ディスク）、ＤＶＤ（ディジタル・ビデオ・ディスク、あるいはディジタル・バーサタイル・ディスク）などの光情報記録媒体（光ディスク、あるいはメディアともいう）に対して情報の再生・記録を行うための光ピックアップ装置（光ヘッド、光ヘッド装置などともいわれる）が開発・製造され、一般に普及している。

また最近では、波長４０５ｎｍ程度の光源を用いた、より高密度の情報記録を可能とした光情報記録媒体の規格についても研究開発も行われている。

そしてこのような光ピックアップ装置は、光源（主にレーザーダイオードが用いられる）から出射された光束を、ビーム整形プリズム、コリメータ、ビームスプリッタ、対物光学素子等の光学素子からなる光学系を介して光ディスクの情報記録面に集光させてスポットを形成し、記録面上の情報記録孔（ピットともいう）からの反射光を、再度光学系を介して今度はセンサー上に集光させ、電気信号に変換することにより情報を再生する。この際、情報記録孔の形状によって反射光の光束も変化するため、これを利用して、「０」「１」の情報を区別する。なお、光ディスクの情報記録面の上には保護基板（プラスティック製の保護層。カバーガラスともいう）が設けられている。

またＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ等の記録型メディアに情報の記録を行う場合、記録面上にレーザー光束によるスポットを形成し、記録面上の記録材に熱化学変化を生ぜしめる。これによってたとえばＣＤ−Ｒの場合は熱拡散性色素が不可逆変化することにより、情報記録孔と同様の形状が形成される。ＣＤ−ＲＷの場合は相変化型材料を用いているため、熱化学変化によって結晶状態と非晶質状態との間で可逆変化するので、情報の書き換えが可能である。

そしてＣＤ規格の光ディスクから情報を再生するための光ピックアップ装置は、対物レンズのＮＡが０．４５前後であり、用いられる光源の波長は７８５ｎｍ前後である。また記録用としては、０．５０程度のものが用いられることが多い。なお、ＣＤ規格の光ディスクの保護基板厚さは１．２ｍｍである。

さて光情報記録媒体としてＣＤが広く普及しているが、ここ数年、ＤＶＤが普及している。これはＣＤに比べて保護基板厚を薄くし、さらに情報記録孔を小さくすることにより、情報記録量を多くしたもので、ＣＤが約６００〜７００ＭＢ（メガバイト）程度であるのに対し、約４．７ＧＢ（ギガバイト）という大容量の記録容量を有し、映画等の動画像を記録した頒布媒体として用いられることが多い。

またＤＶＤ規格の光ディスクから情報を再生するための光ピックアップ装置は、原理的にはＣＤ用のそれと同じであるが、前述のように情報記録孔が小さくなっていること等から、対物レンズのＮＡが０．６０前後であり、用いられる光源の波長は６５５ｎｍ前後のものが用いられている。また記録用としては、０．６５程度のものが用いられることが多い。なお、ＤＶＤ規格の光ディスクの保護基板厚さは０．６ｍｍである。

またＤＶＤ規格の光ディスクについても記録型のものが既に実用化されており、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ／Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ／Ｒなどの各規格がある。これらに関する技術的原理もまた、ＣＤ規格の場合と同じである。

さて記録型ＤＶＤについて、ＤＶＤ−ＲＯＭと同様に２層化する技術については様々な技術が提案されている。
例えば、基板を介して、１層目（上層）の反射層として薄い銀合金を使用し、反射率を１８％にすることによって片面２層ＤＶＤ−ＲＯＭ規格に準拠させる。
さらに、１層目の記録面の透過率は５０%以上とし、それによって２層目（下層）記録面の読み取りおよび記録を可能とする。１層目は透過される一部の光を吸収、反射するために２層目の記録面は高パワー感度をもっている。上層は透過される一部の光を吸収、反射する。また、下層の記録面は上層より高い反射率を有する（＞５０%）。下層・上層の記録面を透過することにより２層ディスクは反射率１８%を有する。

このような多層に対応するためには、光学系を動的に駆動して、焦点位置を動かすことによって対応することが可能である。

特許文献１には、異なった保護基板厚の光ディスクに対応するために、コリメータなどを駆動することによって、保護基板厚の異なる光ディスクごとに、最適な集光スポットを形成する技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開平９−１７０２３号公報

しかしながら、この技術では、複数の波長を用いて、規格そのものが異なる光ディスクに対応する技術については開示がないし、またさらに同じ光学系を用いて、同じディスクの規格でありながら、同時に多層に対応する技術との組合せについては記載がない。

本発明者らの検討の結果、多層の光ディスクに対して、情報の書き込みをする際には、焦点深度を深くすることが好ましいことが判ったが、そのような知見については開示がない。

本発明は、このような従来技術の問題点にかんがみ、複数の波長を用いてそれぞれ異なった基板厚の光ディスクに対して情報の記録及び再生を行うことができ、同時に単層のみならず、多層の記録層を有する光ディスクに対しても対応可能な光ピックアップ装置及びそのような光ピックアップ装置に用いられる光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に関する光学素子は、保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置の対物光学素子であって、前記光学素子は、光軸を中心とした複数の領域に分割されてなり、前記第１光源を用いて前記第１光情報記録媒体に対して集光スポットを形成した際に、光軸からの距離が長くなるにつれて、球面収差の絶対値が増大するようにせしめられ、かつ前記隣り合う複数の領域ごとに、球面収差の最大値の符号が異なるような屈折力を有し、前記第２光情報記録媒体に集光スポットを形成するのに必要な開口相当領域には、光路差付与構造が設けられ、収差の絶対値が所定値以下になるようにせしめられていることを特徴とする。

本発明の具体的な態様では、前記隣り合う領域ごとに、球面収差の符号が異なることを特徴とする。
本発明の別の具体的な態様では、前記隣り合う領域の球面収差が連続的に変化することを特徴とする。
本発明のさらに別の具体的な態様では、５次以上の収差が大きいことを特徴とする。

また上記課題を解決するため、別の本発明に関する光ピックアップ装置は、保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、該光ピックアップ装置は、対物光学素子及び基板厚調整手段を有し、前記対物光学素子の光学機能面は、光軸を中心とした同心円状の少なくとも２つ以上の光学領域を有し、光軸を含んだ第１領域は、屈折面上に光路差付与構造を有してなり、前記第１記録面および前記第２記録面に対して集光スポットを形成できるように構成され、前記第１領域の外側に位置する輪帯状の第２領域は、前記第１光源を前記第１記録面に集光するとともに、前記第２光源を前記第２記録面に集光しない光学面とされており、前記基板厚調整手段は、前記集光スポットを形成する、最も前記光情報記録媒体に近い光学素子に入射する光束の発散角を変更する、及び／又は、前記集光スポットを形成する、最も前記光情報記録媒体に近い光学素子に入射する光束の位相を変化させる機能を有することを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、別の本発明に関する光ピックアップ装置は、保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、該光ピックアップ装置は、前記各光情報記録媒体に集光スポットを形成するための集光光学系を有し、該集光光学系に含まれる少なくとも１つの光学素子である第１光学素子は、光軸を中心とした少なくとも２つの同心円状の光学領域を有し、光軸を含んだ第１領域および該第１領域の外側の第２領域は、ともに透過する光束に光路差を付与する光路差付与構造を有し、前記第１領域を透過した前記第１光源からの光束はｍ次回折光、前記第２領域を透過した前記第１光源からの光束はｎ（｜ｎ｜＞｜ｍ｜）次回折光として出射して、前記第１記録面、前記第３記録面および前記第４記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第１領域を透過した前記第２光源からの光束はｍ次回折光として出射して、前記第２記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第２領域を透過した前記第２光源からの光束は集光スポット形成に寄与しないように形成されており、前記集光光学系に含まれる光学素子のうち、前記各光情報記録媒体にもっとも近い光学素子である第２光学素子の開口端の光量が、光軸の光量の０％以上７０％以下であることを特徴とする光ピックアップ装置。（ただしｎ、ｍは整数）
これらの発明の具体的な態様では、前記第２光学素子の開口端の光量が、光軸の光量の１０％以上２０％以下であることを特徴とする。

また上記課題を解決するため、別の本発明に関する光ピックアップ装置は、保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、該光ピックアップ装置は、前記各光情報記録媒体に集光スポットを形成するための集光光学系を有し、該集光光学系に含まれる少なくとも１つの光学素子である第１光学素子は、光軸を中心とした少なくとも２つの同心円状の光学領域を有し、光軸を含んだ第１領域および該第１領域の外側の第２領域は、ともに透過する光束に光路差を付与する光路差付与構造を有し、前記第１領域を透過した前記第１光源からの光束はｍ次回折光、前記第２領域を透過した前記第１光源からの光束はｎ（｜ｎ｜＞｜ｍ｜）次回折光として出射して、前記第１記録面、前記第３記録面および前記第４記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第１領域を透過した前記第２光源からの光束はｍ次回折光として出射して、前記第２記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第２領域を透過した前記第２光源からの光束は集光スポット形成に寄与しないように形成されており、前記集光光学系に含まれる光学素子のうち、前記各光情報記録媒体にもっとも近い光学素子である第２光学素子に入射する光束の光束径Ｈが、前記第２光学素子の焦点距離をｆとしたとき、以下の式で定められる範囲であることを特徴とする。（ただしｎ、ｍは整数）
１．２５ｆ ＜ Ｈ ＜ １．２９ｆ
本発明の具体的な態様では、ｍ＝１であることを特徴とする。

本発明のさらに具体的な態様では、ｎ＝２〜５であることを特徴とする。

本発明のさらに別の具体的な態様では、前記第１光学素子はコリメータ、カップリング、ビームエキスパンダーのいずれかであることを特徴とする。

本発明のさらに別の具体的な態様では、前記第２光学素子は対物光学素子であることを特徴とする。

本発明のさらに別の具体的な態様では、前記第１光学素子は前記第２光学素子と同じ素子であることを特徴とする。

また上記課題を解決するため、別の本発明に関する光ピックアップ装置は、保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、該光ピックアップ装置は、前記各光情報記録媒体に集光スポットを形成するための集光光学系を有し、該集光光学系に含まれる少なくとも１つの光学素子である第１光学素子は、光軸を中心とした少なくとも２つの同心円状の光学領域を有し、光軸を含んだ第１領域および該第１領域の外側の第２領域は、ともに透過する光束に光路差を付与する光路差付与構造を有し、前記第１領域を透過した前記第１光源からの光束はｍ次回折光、前記第２領域を透過した前記第１光源からの光束はｎ（｜ｎ｜＞｜ｍ｜）次回折光として出射して、前記第１記録面、前記第３記録面および前記第４記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第１領域を透過した前記第２光源からの光束はｍ次回折光として出射して、前記第２記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第２領域を透過した前記第２光源からの光束は集光スポット形成に寄与しないように形成されており、前記第１記録面上の前記第１光源からの光束によって形成された集光スポットにおける正弦条件違反量が、光軸からの距離が長くなるに従ってオーバーになり、かつ前記第２記録面上の前記第２光源からの光束によって形成された集光スポットにおける正弦条件違反量が、光軸からの距離が長くなるに従ってアンダーになるように構成されていることを特徴とする。（ただしｎ、ｍは整数）
本発明の具体的な態様では、ｍ＝１であることを特徴とする。

本発明のさらに具体的な態様では、ｎ＝２〜５であることを特徴とする。

また全ての発明の前記光路差付与構造は回折構造であることを特徴とする。
さらに、前記光路差付与構造は位相シフト構造であってもよい。
さらにまた、前記光路差付与構造はマルチレベル構造であってもよい。

本発明によれば、複数の波長を用いてそれぞれ異なった基板厚の光ディスクに対して情報の記録及び／又は再生を行うことができるとともに、単層の記録層を有する光ディスクのみならず、多層の記録層を有する光ディスクに対しても対応可能な光ピックアップ装置、及びそのような光ピックアップ装置に用いられる光学素子を提供することができる。

以下図面に基づいて本発明の内容を詳細に説明するが、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。

なお最初に、各実施例に共通して用いられる光学系について概略を説明する。

図１は、本願発明に関わる光ピックアップ装置を示す模式図である。

本実施例では、主にＤＶＤ、ＣＤの２フォーマット互換の光ピックアップ装置をターゲットとしており、第１光情報記録媒体として保護基板厚ｔ１が０．６ｍｍのＤＶＤ、第２光情報記録媒体として保護基板厚ｔ２が１．２ｍｍのＣＤを想定している。また第３光情報記録媒体として、２層のＤＶＤを想定している。

これらを図１に沿って説明すると、第１光情報記録媒体である１層型ＤＶＤの保護基板ｐ１の厚さがｔ１、第１記録面がｒ１である。同様に、第２光情報記録媒体であるＣＤの保護基板ｐ２の厚さがｔ２、第１記録面がｒ２である。

そして、第３光情報記録媒体である２層型ＤＶＤの保護基板ｐ３の厚さがｔ３、第３記録面がｒ３である。そして保護基板ｐ３と保護基板ｐ４の厚さとの和がｔ４となる。第４記録面はｒ４である。なお、Ｂは基材を示し、図示しないが第１光情報記録媒体、第２光情報記録媒体も同様の基材を有する。

ちなみに、ｐ３の厚さであるｔ３は、０．５３〜０．５７ｍｍ、ｐ４は０．６１〜０．６９ｍｍの間で適宜選択される。
レーザーダイオードＬＤは、光源であり、第１光源（ＤＶＤ用の光源）、第２光源（ＣＤ用の光源）の、２つの発光点を同一のパッケージに収めた、いわゆる２レーザー１パッケージの光源ユニットである。

このパッケージのうち、第１光源を光軸上に位置するように調整するので、第２光源については光軸上からやや離れた処に位置するため、像高が生じてしまうが、この特性を改善するための技術も既に知られており、それらの技術を必要に応じて適用できる。ここでは図示しない補正板を用いることによりその補正を行っている。補正板にはグレーティングが形成されており、それによって光軸からのズレを補正する。

なお第１光源（波長λ１）として波長λ２が６５５ｎｍの赤色レーザーが用いられるが、波長が６３０ｎｍ〜６８０ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。第２光源（波長λ２）は７８０ｎｍの赤外レーザーが用いられるが、波長が７５０ｎｍ〜８００ｎｍである範囲のものを適宜採用することができる。
ＬＤ１から投光された光束は、コリメータＣＯＬに入射し、これによって無限平行光にコリメートされたのち、偏光ビームスプリッタプリズムＰＳを介して光源光束を対物光学素子Ｏｂｊに達し、光情報記録媒体の記録面に集光スポットを形成する。

ここで特に図示していないが、ＬＤから投光された光束を、ビーム品位向上のため、ビームシェイパーＢＳＬ（ビーム整形素子）を透過させてから、コリメータＣＯＬに入射させてもよい。さらに対物光学素子に光束を入射させる前に、凹レンズと凸レンズとから構成されるビームエキスパンダーＢＥを経るようにさせても良い。

さて集光スポットを形成して情報記録面上で反射したのち、同じ経路をたどって、偏光ビームスプリッタプリズムＰＳによってセンサーレンズＳＬを経てセンサーＰＤに集光する。このセンサーＰＤによって光電変換され、電気的な信号となる。

なおビームスプリッタＢＳと対物光学素子Ｏｂｊとの間には図示しないλ／４（四分の一波長）板が配置されており、往路と復路とでちょうど半波長分位相がずれて偏光方向が変わる。このため復路の光束はＰＳによって進行方向が変わる。

図示しないビームシェイパーＢＳＬは、光軸に対して垂直なある方向と、この方向に対して垂直な方向の、２つの方向に対してそれぞれ異なった曲率を有している（光軸について、回転非対象な曲率を有している）。

光源から出射された光束は、半導体光源の構造上、光軸に対して垂直なある方向と、この方向に対して垂直な方向の、２つの方向に対してそれぞれ発散角が異なっており、光軸方向から見て楕円状のビームとなっているが、このままでは光ディスク用の光源光束として好ましくないため、ビームシェイパーＢＳＬによって各々の方向に異なった屈折作用を与えることにより、出射光束が略円形断面のビームとなるようにしている。

なお対物光学素子Ｏｂｊは、この図では単一のレンズであるが、必要に応じて複数の光学素子から構成されるようにしてもよい。また材質はプラスティック樹脂でもよいし、ガラス製でもよい。

また各ＬＤから投光された光束が光ディスクの保護基板を介して情報記録面に集光する状態が図２に描かれているが、再生／記録する記録媒体の規格ごとに、光源と保護基板表面との距離は変わらないが、対物光学素子の基本的な位置（基準位置）がアクチュエータによって切り替わり、その基準位置からピント合わせ（フォーカシング）を行う。

そして各々の光情報記録媒体の保護基板厚、さらにピットの大きさにより、対物光学素子Ｏｂｊに要求される開口数も異なる。ここでは、ＣＤ用の開口数は０．４５、ＤＶＤの基本的な開口数は０．６５としているが、ＣＤについては０．４３〜０．５０、ＤＶＤについては０．５８〜０．６８の範囲で適宜選択している。

なお不要光をカットするための絞りを対物光学素子の入射側に設けても良い。

また対物レンズＯＢＬには平行光が入射しているが、コリメートせずに、有限発散光が入射するような構成であったり、有限収束光が入射する構成であってもよい。

さらに、上述の例に、入射光束の強度分布を変化させる光強度分布変換素子を採用することができる。

光強度分布変換素子は、おもにガウシアン分布の入射光束を、異なった光強度分布の光束として出射する光学素子である。

これは目的に応じて、出射光束の光強度分布が略均一となるようにせしめたり、出射光束の最辺縁部の光強度が、光軸近傍の光強度の４５〜９０％となるようにせしめることが可能である。

さて本発明では、光路中に存在するいずれかの光学素子に、光路差付与構造を設けて、光情報記録媒体の基板厚差に基づく球面収差補正を行なうようになっている。

光路差付与構造の代表的なものは、鋸歯状の回折構造である。

これは光軸を中心として、同心円状に細かい段差を設けたものであり、隣り合う輪帯を通過した光束は、所定の光路差を与えられる。

そしてこの鋸歯のピッチ（回折パワー）や深さ（ブレイズド化波長）を設定することにより、ＤＶＤに対しては、特定のＮＡ内の第１光源からの光束が１次回折光による集光スポットとして形成され、ＣＤに対しては、同じＮＡ内の第２光源からの光束が１次回折光による集光スポットとして形成されるようになっている。しかしその外側の領域（特定のＮＡ以上の領域）からの光束については、ＤＶＤの場合はより高次、たとえば２次の回折光として集光スポット形成に寄与するし、ＣＤの場合はフレア光となって集光スポット形成には寄与しない。

このように、回折次数が等しい光、あるいは異なる光を利用することにより、各々の場合における回折効率を高くすることができ、光量を確保することができる。

このような回折構造は、光路差付与構造の一例であるが、他に公知の「位相差付与構造」や「マルチレベル構造」も採用することができる。

位相差付与構造は、輪帯位相補正対物レンズ方式が、例えば特開平１１−２７５９号や特開平１１−１６１９０号にその実施例が記載されている。

特開平１１−２７５９号に記載されているのは、上述の通り基本的な対物レンズの面形状をＤＶＤの記録再生において最適となるように設定し、ＣＤの記録再生のために位相補正方式による補正を行う場合である。つまりＤＶＤ系で波面収差が最小となるように設計された対物レンズの表面に輪帯状に段差を形成し、ＤＶＤ系での波面収差増大を抑制しつつＣＤ系での波面収差を減少させるものである。

この技術ではＤＶＤ波長に対して位相制御素子は位相分布をほとんど変化させないため、ＲＭＳ波面収差はＤＶＤ系に最適設計された対物レンズの値を維持し、ＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減するように作用するため、記録再生性能が波面収差に敏感なＤＶＤ系に対して有効である。

またこれとは逆に基本的な対物レンズの光学性能を、ＣＤの記録再生において最適となるように設定し、ＤＶＤの記録再生のために位相補正方式による補正を行う場合が特開平１０−３３４５０４号に記載されている。

これらは何れも、ＤＶＤの記録再生、ＣＤの記録再生共に、そのＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差は改善されている。

輪帯位相補正対物レンズの場合、例えば特開平１１−１６１９０号には、ＣＤとＤＶＤとの中間の基板厚の光ディスクを想定して、このような光ディスクの記録再生に最適となるように基本的な対物レンズの面形状を設定し、さらに位相補正方式によりＤＶＤとＣＤの両方のＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差補正を行う場合について記載されている。

また特開２００１−５１１９２号では、各輪帯の段差量と面形状とを変えることで、ＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差を小さくし、光線の集光位置を一点にする技術が開示されている。

また、マルチレベル構造とは、所定の段数を有する階段状の形状を、周期的に繰り返した形状である。この階段の段数や、段の高さ、幅（ピッチ）は適宜設定でき、たとえば特開平９−５４９７３号に記載されている。このような階段構造により、複数の波長に対して選択的に回折作用を生ぜしめることが可能になっている。

またここでは、光ディスクフォーマットの基盤厚差にもとづく球面収差を補正する目的で光路差付与構造が採用されているが、それだけでなく、使用波長の波長差や、使用波長の変動（モードホップ）に基づいて生じる収差の補正にももちろん使用可能である。前者の場合は５０ナノメートル以上の波長差に基づいて生じる球面色収差の補正であり、後者の場合は５ｎｍ以内の微小な波長変動を補正する。

この例では、回折構造を対物光学素子に設けた例を説明したが、コリメータやカップリングレンズなどの他の素子に設けることはもちろん可能である。

また屈折面、非球面を有する光学素子に、このような素材を用いることが、もっとも好ましい。
〔第１実施形態〕
請求項１乃至４の発明について説明する。

この発明では、対物光学素子を複数の領域に分割し、ＤＶＤに対する球面収差が、光軸から離れるに従って増大するような構造にする。具体的には、複数の領域毎に、非球面形状を異ならしめることによって可能である。

そして、光路差付与構造によって、ＣＤに対する球面収差が許容範囲（好ましくは０）となるようにし、球面収差（ＳＡ）が、図３あるいは図４に示す球面収差図のようになる構造とする。

請求項２の発明の場合は図３のような球面収差図となり、請求項３の発明の場合は図４のような球面収差図となる。
このような構造とすることにより、結果的にλ１の波長に対する焦点深度が深くなり、収差が大きくなるものの、様々な基板厚に対応することができる。
さらに収差が悪化する場合があるが、それを高次収差、特に５次以上の収差が悪化するようにすることにより、集光スポット形成に問題が生じないようにすることができる（請求項５）。
〔第２実施形態〕
請求項５の発明について説明する。

この発明では、対物光学素子に設けた光路差付与構造を用いて、基板厚差による球面を補正するが、多層ＤＶＤに対応するため、他の光学素子を用いている。

ここではコリメータを基板厚調整手段として用い、光軸方向に移動することにより、対物光学素子に入射する光束の発散度合い（発散角）を変化させている。これによって図５に示すように、単層ＤＶＤ、多層ＤＶＤのいずれにも好適な収差状態で集光することができるので大変好ましい。

また基板厚調整手段は、コリメータに限らず、ビームエキスパンダーなどでもよい。

さらに位相差を与える手段として、液晶素子を用いることもできるし、発散角を変更する手段と組み合わせることもできる。
〔第３実施形態〕
請求項６乃至７の発明について説明する。

この発明においても、光路差付与構造を用いて、基板厚差による球面を補正するが、特にリム強度を意図的に低下させることにより、実質的に集光スポット径を大きくし、これをもってλ１の波長に対する焦点深度を深くせしめる。そしてこの結果収差が大きくなるものの、様々な基板厚に対応することができる。

とくに、開口径端部の光量が、光軸近傍の光量の１０〜２０％程度に低減していることが、焦点深度を深くするのに有効である。

ここでリム強度を低下させるのは、光路中のどの光学素子でもよく、たとえばコリメータにそのような光学面を形成したり、コートなどによって同様の作用を得ても良い。さらに、対物光学素子自身にそのような作用を付与しても良い。
〔第４実施形態〕
請求項８の発明について説明する。

これは第３実施形態と類似した考え方であるが、より確実に焦点深度を深くするために、入射光束の光束径を絞りによって制限することにより、集光スポット形状を定めていく方法である。

本発明者らは検討の結果、単層ＤＶＤ、多層ＤＶＤのいずれにも良好な集光スポットを形成するための最適な条件を見出した。

すなわち、入射光束径と対物光学素子の焦点距離とから、開口径が求められ、また集光スポット径は、使用波長と開口径とから求められる値に比例する。

ここで検討の結果得られた好適な開口径範囲に基づいて、対物光学素子の焦点距離と、入射光束径との関係が、以下のような条件を満たせば、単層ＤＶＤ、多層ＤＶＤのいずれにも良好な集光スポットが形成できる。

１．２５ｆ ＜ Ｈ ＜ １．２９ｆ
ここで請求項６の発明と、請求項８の発明にとって、ともに好ましい絞込みの条件について説明する。

ＤＶＤの集光スポットを形成するためには、回折効率が高いことが好ましいので、ｍ＝１であることが好ましい（請求項９）。

また周辺部は、ＤＶＤ専用であり、ＣＤは不要であることから、ｎ＝２〜５であることが好ましい（請求項１０）。これによって、周辺部の回折ピッチが細かくならず、光学素子製造が容易になる。

さらに、第１光学素子が対物光学素子以外のコリメータ、カップリングレンズ、ビームエキスパンダーであれば、面形状が緩いため、光路差付与構造を形成しやすいという利点がある（請求項１１）。

そして第２光学素子が対物光学素子であれば、入射光と集光スポットとの関係が摂家値と大きく乖離しない構成に出来るという利点がある（請求項１２）。

また第１光学素子と第２光学素子とが兼用の素子（例えば対物光学素子）である場合、光学素子の数を少なく、かつコンパクトにできるという利点がある（請求項１３）。
〔第５実施形態〕
請求項１４の発明について説明する。

これはＤＶＤ、ＣＤの集光スポットの正弦条件違反量（ＯＳＣ）を操作して、結果的に被写界深度を深くせしめるものである。

図６に示すように、ＤＶＤの正弦条件違反量を、光軸から離れるにしたがってオーバーとなるように、逆にＣＤの正弦条件違反量を、光軸から離れるにしたがってアンダーとなるように形成する。これによって、ＤＶＤに対する被写界深度が深くなり、結果的に単層ＤＶＤ、多層ＤＶＤのいずれにも良好な集光スポットを形成できる。

請求項１５乃至１６の発明の効果は、請求項９及び１０の発明と同じ効果である。

実施形態に関わる光ピックアップの模式図である。 各光情報記録媒体に集光スポットが形成される状態の模式図である。 第１実施形態に関わる球面収差の状態を示す模式図である。 第１実施形態に関わる球面収差の状態を示す模式図である。 第２実施形態に関わる球面収差の状態を示す模式図である。 第５実施形態に関わる正弦条件違反量の状態を示す模式図である。

符号の説明

ＬＤ…光源、 ＰＤ…センサー、 ＳＬ…センサーレンズ、 ＰＳ…プリズム（ビームスプリッタ）、 ＣＯＬ…コリメータ、 Ｏｂｊ…対物光学素子、 ｒ１…第１記録面、 ｒ２…第２記録面、 ｒ３…第３記録面、 ｒ４…第４記録面、 ｐ１…第１保護層、 ｐ２…第２保護層、 ｐ３…第３保護層、 ｐ４…第４保護層、 Ｂ…基材

Claims (22)

1. 保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置の対物光学素子であって、
   前記光学素子は、光軸を中心とした複数の領域に分割されてなり、
   前記第１光源を用いて前記第１光情報記録媒体に対して集光スポットを形成した際に、光軸からの距離が長くなるにつれて、球面収差の絶対値が増大するようにせしめられ、かつ前記隣り合う複数の領域ごとに、球面収差の最大値の符号が異なるような屈折力を有し、
   前記第２光情報記録媒体に集光スポットを形成するのに必要な開口相当領域には、光路差付与構造が設けられ、収差の絶対値が所定値以下になるようにせしめられていることを特徴とする対物光学素子。
2. 前記隣り合う領域ごとに、球面収差の符号が異なることを特徴とする請求項１記載の対物光学素子。
3. 前記隣り合う領域の球面収差が連続的に変化することを特徴とする請求項１記載の対物光学素子。
4. ５次以上の収差が大きいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の対物光学素子。
5. 保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、
   該光ピックアップ装置は、対物光学素子及び基板厚調整手段を有し、
   前記対物光学素子の光学機能面は、光軸を中心とした同心円状の少なくとも２つ以上の光学領域を有し、
   光軸を含んだ第１領域は、屈折面上に光路差付与構造を有してなり、前記第１記録面および前記第２記録面に対して集光スポットを形成できるように構成され、
   前記第１領域の外側に位置する輪帯状の第２領域は、前記第１光源を前記第１記録面に集光するとともに、前記第２光源を前記第２記録面に集光しない光学面とされており、
   前記基板厚調整手段は、前記集光スポットを形成する、最も前記光情報記録媒体に近い光学素子に入射する光束の発散角を変更する、及び／又は、前記集光スポットを形成する、最も前記光情報記録媒体に近い光学素子に入射する光束の位相を変化させる機能を有することを特徴とする光ピックアップ装置。
6. 保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、
   該光ピックアップ装置は、前記各光情報記録媒体に集光スポットを形成するための集光光学系を有し、
   該集光光学系に含まれる少なくとも１つの光学素子である第１光学素子は、光軸を中心とした少なくとも２つの同心円状の光学領域を有し、光軸を含んだ第１領域および該第１領域の外側の第２領域は、ともに透過する光束に光路差を付与する光路差付与構造を有し、
   前記第１領域を透過した前記第１光源からの光束はｍ次回折光、前記第２領域を透過した前記第１光源からの光束はｎ（｜ｎ｜＞｜ｍ｜）次回折光として出射して、前記第１記録面、前記第３記録面および前記第４記録面の集光スポット形成に寄与し、
   前記第１領域を透過した前記第２光源からの光束はｍ次回折光として出射して、前記第２記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第２領域を透過した前記第２光源からの光束は集光スポット形成に寄与しないように形成されており、
   前記集光光学系に含まれる光学素子のうち、前記各光情報記録媒体にもっとも近い光学素子である第２光学素子の開口端の光量が、光軸の光量の０％以上７０％以下であることを特徴とする光ピックアップ装置。（ただしｎ、ｍは整数）
7. 前記第２光学素子の開口端の光量が、光軸の光量の１０％以上２０％以下である請求項６記載の光ピックアップ装置。
8. 保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
   保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、
   該光ピックアップ装置は、前記各光情報記録媒体に集光スポットを形成するための集光光学系を有し、
   該集光光学系に含まれる少なくとも１つの光学素子である第１光学素子は、光軸を中心とした少なくとも２つの同心円状の光学領域を有し、光軸を含んだ第１領域および該第１領域の外側の第２領域は、ともに透過する光束に光路差を付与する光路差付与構造を有し、
   前記第１領域を透過した前記第１光源からの光束はｍ次回折光、前記第２領域を透過した前記第１光源からの光束はｎ（｜ｎ｜＞｜ｍ｜）次回折光として出射して、前記第１記録面、前記第３記録面および前記第４記録面の集光スポット形成に寄与し、
   前記第１領域を透過した前記第２光源からの光束はｍ次回折光として出射して、前記第２記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第２領域を透過した前記第２光源からの光束は集光スポット形成に寄与しないように形成されており、
   前記集光光学系に含まれる光学素子のうち、前記各光情報記録媒体にもっとも近い光学素子である第２光学素子に入射する光束の光束径Ｈが、前記第２光学素子の焦点距離をｆとしたとき、以下の式で定められる範囲であることを特徴とする光ピックアップ装置。（ただしｎ、ｍは整数）
   １．２５ｆ ＜ Ｈ ＜ １．２９ｆ
9. ｍ＝１であることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
10. ｎ＝２〜５であることを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
11. 前記第１光学素子はコリメータ、カップリング、ビームエキスパンダーのいずれかであることを特徴とする請求項６乃至１０の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
12. 前記第２光学素子は対物光学素子であることを特徴とする請求項６乃至１１の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
13. 前記第１光学素子は前記第２光学素子と同じ素子であることを特徴とする請求項６乃至１２の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
14. 保護基板厚ｔ１の第１記録面を有する第１光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
    保護基板厚ｔ２（ｔ１＜ｔ２）の第２記録面を有する第２光情報記録媒体に対して波長λ２（λ１＜λ２）の第２光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行ない、
    保護基板厚ｔ３（ｔ３＜ｔ２）の第３記録面及び保護基板厚ｔ４（ｔ４＜ｔ２）の第４記録面を有する第３光情報記録媒体に対して波長λ１の第１光源を用いて集光スポットを形成することにより情報の再生及び／又は記録を行なう光ピックアップ装置であって、
    該光ピックアップ装置は、前記各光情報記録媒体に集光スポットを形成するための集光光学系を有し、
    該集光光学系に含まれる少なくとも１つの光学素子である第１光学素子は、光軸を中心とした少なくとも２つの同心円状の光学領域を有し、光軸を含んだ第１領域および該第１領域の外側の第２領域は、ともに透過する光束に光路差を付与する光路差付与構造を有し、
    前記第１領域を透過した前記第１光源からの光束はｍ次回折光、前記第２領域を透過した前記第１光源からの光束はｎ（｜ｎ｜＞｜ｍ｜）次回折光として出射して、前記第１記録面、前記第３記録面および前記第４記録面の集光スポット形成に寄与し、
    前記第１領域を透過した前記第２光源からの光束はｍ次回折光として出射して、前記第２記録面の集光スポット形成に寄与し、前記第２領域を透過した前記第２光源からの光束は集光スポット形成に寄与しないように形成されており、
    前記第１記録面上の前記第１光源からの光束によって形成された集光スポットにおける正弦条件違反量が、光軸からの距離が長くなるに従ってオーバーになり、かつ前記第２記録面上の前記第２光源からの光束によって形成された集光スポットにおける正弦条件違反量が、光軸からの距離が長くなるに従ってアンダーになるように構成されていることを特徴とする光ピックアップ装置。（ただしｎ、ｍは整数）
15. ｍ＝１であることを特徴とする請求項１４記載の光ピックアップ装置。
16. ｎ＝２〜５であることを特徴とする請求項１４又は１５記載の光ピックアップ装置。
17. 前記光路差付与構造は回折構造であることを特徴とする請求項５乃至１６の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
18. 前記光路差付与構造は位相シフト構造であることを特徴とする請求項５乃至１６の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
19. 前記光路差付与構造はマルチレベル構造であることを特徴とする請求項５乃至１６の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
20. 前記光路差付与構造は回折構造であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の対物光学素子。
21. 前記光路差付与構造は位相シフト構造であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
22. 前記光路差付与構造はマルチレベル構造であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光ピックアップ装置。
    

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