JP3550480B2

JP3550480B2 - 対物レンズおよびそれを用いた光ヘッド

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Publication number: JP3550480B2
Application number: JP16374397A
Authority: JP
Inventors: 健島野; 昭有本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: JPH1116190A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光記録媒体から光学的に情報を再生する光ディスク装置に係り、特に基板厚さが異なる光ディスクからそれぞれ異なる光波長の光源を用いて信号を再生する光ヘッドおよびそれに用いる対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクは大容量可換情報記録媒体として近年めざましく進歩を続けている。そのため記録再生方式や記録密度、ディスクサイズが多岐にわたっており、それらの互換性の確保が困難となりつつある。特にこれまで最も普及しているのがＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）であり、これと再生互換性のある記録可能なＣＤであるＣＤ−Ｒ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋ − Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）も付随的して普及している。新たな光ディスクの開発にあたってはこれらＣＤ、ＣＤ−Ｒとの互換性の要求が大きい。これらに続く次世代高密度ＲＯＭとして、最近ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｉｄｅｏＤｉｓｋ）が発売された。ここでは記録密度を向上させるために対物レンズの開口数（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）を従来ＣＤの０．４５から０．６に向上させている。光ディスク上の集光スポットの大きさは使用するレーザ光源の波長をλとしたとき、λ／ＮＡに比例するため、波長を短く、ＮＡを大きくすればそれにしたがって光スポットを小さくすることができる。光スポットが小さければ高密度の情報ピットを品質良く再生することができるので、光ディスクの記録密度を向上させることができるのである。そこでＤＶＤではまず使用する半導体レーザ波長をＣＤの７８０ｎｍから６５０ｎｍとしている。ところが一方、ＮＡの増大は、ディスクが傾いたときに生じるコマ収差を急激に増大させ、光スポットをかえって劣化させるため、むやみ行うことができない。そこでＤＶＤは基板厚さをＣＤの１．２ｍｍから０．６ｍｍに薄くして、ＮＡ増大とともにそれによるディスク傾きのコマ収差を抑えている。ところが基板の厚さをＣＤと変えてしまうとＤＶＤ専用の対物レンズでＣＤを再生するときに今度は球面収差が生じて光スポットがぼけてしまう。光ディスク用の対物レンズでは特定の基板厚さに対応してそれを補償する球面収差を持つようにあらかじめ設計されているからである。
【０００３】
この問題を解決する従来の手段は例えばオプティカル・レビュー第１巻第１号１９９４年２７ー２９頁（ＯｐｔｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１（１９９４）ｐｐ．２７−２９．）に記載されている。ここでは０．６ｍｍ用対物レンズ表面にホログラムを形成し、その回折光によってＣＤを再生し、透過光によてＤＶＤを再生するというものである。ここではＣＤを再生するときに生じる球面収差を補償するようにホログラムのパターンをあらかじめ設計しておくのである。しかしながらこれにおいてはホログラムを使用するため、ＣＤを再生するときにもＤＶＤ用の光スポットが生じ、ＤＶＤを再生するときにもＣＤ用の光スポットが生じる。またディスクで反射した光も再び回折されてしまう。これらにより光量の損失が避けられないという欠点がある。
【０００４】
第２の従来例は三菱電機ニュース・リリース、開発Ｎｏ．９５０７（平成７年６月２１日）に記載されている。これは０．６ｍｍ用の対物レンズと、１．２ｍｍ用の対物レンズを両方光ヘッドに搭載し、可動アクチュエータによって２つのレンズを切り替えて使用するというものである。しかしこれにおいては２つのレンズを切り替えるため、レンズを２個使用することによるコストの増大、レンズの位置の再現性や、アクチュエータが大きく、重くなることによる応答特性の劣化などの問題がある。
【０００５】
第３の従来例は日経エレクトロニクス１９９６年１月２９日号（Ｎｏ．６５４）１５ー１６頁に記載されている。ここでは液晶による制限開口を設け、ＣＤの再生にあたってはＮＡを０．３５まで小さくして収差を小さくしている。しかしここではＣＤ、ＤＶＤとも波長６３５ｎｍの半導体レーザを用いているため、ＣＤのＮＡをここまで低減できたが、７８０ｎｍより短い波長の光では反射率が著しく低下するＣＤ−Ｒの再生時にはこの方法は使えないという欠点がある。
【０００６】
一方、本発明者らは先に出願した特願平７ー３４２２０３において、波長６５０ｎｍでＤＶＤとＣＤの両方の互換をとるために、対物レンズの内側と外側で最適化する基板厚を変えるという発明を提案している。しかしＣＤを波長７８０ｎｍで再生する場合にはこの分割のＮＡを少なくともＮＡ０．４５以上にする必要があり、この場合にはＤＶＤを再生するときの収差が非常に大きくなってしまうという欠点があった。
【０００７】
これに鑑み、本発明の目的は光量の損失なく、安価に、精度よく波長７８０ｎｍの光で基板厚さ１．２ｍｍのＣＤを再生し、波長６５０ｎｍの光で基板厚さ０．６ｍｍのＤＶＤを再生することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明においては、２つの波長のレーザ光を異なる基板厚さの光ディスクに集光するにあたって、
それぞれの波長の集光スポットの収差をともに低減させる輪帯状の位相シフタを該対物レンズと一体として付加させる。
【０００９】
あるいは一方の波長の集光スポットの収差を少なくとも変化させずに、他の一方の波長の集光スポットの収差を低減させる輪帯状の位相シフタを該対物レンズと一体として付加させる。
【００１０】
あるいは対物レンズの内側と外側で収差なく集光するための基板厚さが異なるレンズに、２つの波長のレーザ光の集光スポットの収差をともに低減させる輪帯状の位相シフタを該レンズと一体として付加させる。
【００１１】
またあるいは光ヘッドとして、２つの波長の半導体レーザと、光ディスクからの反射光を半導体レーザから光ディスクまでの光路から分岐させる分岐手段と、これによって分岐された反射光から集光スポット位置制御信号と再生信号を検出するための検出手段から少なくとも構成される光ヘッドでそれぞれの波長の光を異なる基板厚さの光ディスクに集光するのにあたって上記の対物レンズを用いる。
【００１２】
またあるいは波長の異なる２つの半導体レーザと、そのそれぞれの波長の光を異なる基板厚さの光ディスクに集光する対物レンズと、光ディスクからの反射光を該半導体レーザから該光ディスクまでの光路から分岐させる分岐手段と、該分岐手段によって分岐された反射光から集光スポット位置制御信号と再生信号を検出するための検出手段から少なくとも構成される光ヘッドにおいて、それぞれの波長の集光スポットの収差をともに低減させる輪帯状の位相シフタを付加する。
【００１３】
またあるいは波長の異なる２つの半導体レーザと、光ディスクからの反射光を該半導体レーザから該光ディスクまでの光路から分岐させる分岐手段と、該分岐手段によって分岐された反射光から集光スポット位置制御信号と再生信号を検出するための検出手段から少なくとも構成される光ヘッドにおいて、それぞれの波長の光を異なる基板厚さの光ディスクに集光する内側と外側で収差なく集光するための基板厚さが異なる対物レンズを用い、それぞれの波長の集光スポットの収差をともに低減させる輪帯状の位相シフタを付加する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明による対物レンズの基本的なイメージ図である。本発明によるＤＶＤ用対物レンズ１は通常のＤＶＤ用対物レンズにドーナツ状の輪帯位相シフト領域１０１が付加されている。輪帯位相シフト領域１０１は薄膜を装荷してもよいし、最初からレンズをそのような形状に直接加工しても良い。通常のＤＶＤ用のレンズは基板厚０．６ｍｍのときに無収差となるように設計されているので、波長６５０ｎｍのレーザ光でＤＶＤを再生するときにはこの位相シフタによって加わる収差をなるべく小さくなるようにする。これに対して、波長７８０ｎｍのレーザ光で基板厚１．２ｍｍのＣＤを再生するときには、基板厚誤差０．６ｍｍにより発生する球面収差を低減するようにする。
【００１６】
以下、定性的に収差が低減することを説明する。図２に焦点位置が最適化された場合の球面収差の波面形状概略図を示す。ここで横軸は対物レンズの瞳の半径座標、縦軸は波面収差量である。ＣＤとＤＶＤの基板厚の違いにより、ＤＶＤ専用レンズでＣＤを再生する場合の光スポットは概略このような４次関数で表されるような波面形状となる。これに対して、輪帯状に位相シフトをさせた場合の波面形状の概略図を図３に示す。位相シフトにより収差の最大値が小さくなっていることがわかる。
【００１７】
ところが一方、このレンズを用いてＤＶＤを再生する場合にＤＶＤの収差が大きくなってはならない。そのための１つの方法としては、ＣＤを再生する波長とＤＶＤを再生する波長の違いを用いて、ＣＤでのみ位相がシフトし、ＤＶＤでは位相がシフトしないようにすればよい。そのためにはＣＤ再生波長をλ１、ＤＶＤ再生波長をλ２、ＣＤ再生時に生ずる位相差をφとして、
【００１８】
【数１】

【００１９】
を満たすように整数ｍ、ｎを選択すればよい。またこれで適当なｍ、ｎがない場合には位相シフトのさせかたを図４のようにしてもよい。この場合は輪帯領域を除いたそれ以外の領域にーφの位相シフトを加えることにより、図３と同じ波面形状をで実現できる。したがってこの場合は、
【００２０】
【数２】

【００２１】
を満たしていればよい。これにより例えばλ１を７８０ｎｍ、λ２を６５０ｎｍとすれば、それぞれにおける位相差φは図５のようになる。このように位相差を選べば、ＤＶＤの波面にまったく影響を与えずにＣＤ再生時の球面収差を低減することができる。ここでの逆輪帯位相シフタは空気よりも屈折率の大きい膜を付加する場合など位相ずれを位相遅れによって実現する場合を念頭においた命名である。レンズをけずるなど位相ずれを位相進みによって実現できる場合には輪帯領域を直接けずればよい。これはどちらでも等価であるが、以後はこの場合も含めて逆輪帯位相シフタと呼ぶことにする。
【００２２】
以下、輪帯位相シフタの形状、及び位相差の最適化について説明する。光スポットの評価指標としては無収差スポットの中心強度で規格化した収差のある光スポットの中心強度であるストレール強度があるが、これだと制限開口がある場合のＮＡの違いが現れない。そこで制限開口がある場合も含めて、対物レンズの瞳に入射する全光量に対するスポット中心強度の比を新たな評価指標とする。これを用いると例えば同じ口径でもＮＡが大きく、スポット径が小さくて中心強度が大きい方がこの評価指標が大きいことになる。この評価指標は
【００２３】
【数３】

【００２４】
のようにストレール強度とレンズ全開口半径で規格化した制限開口半径Ｒの２乗の積に比例することがわかる。以下、このストレール強度に規格化制限開口半径の２乗をかけた値をηとする。通常のＣＤピックアップでは波長７８０ｎｍ、対物レンズＮＡ０．４５であるのでＤＶＤの対物レンズＮＡ０．６に対しては無収差であれば、η＝１×（０．４５／０．６）＾２＝０．５６、マレシャルの基準によるストレール強度下限値０．８ではη＝０．４５となる。基板厚誤差による球面収差は４次の球面収差が
【００２５】
【数４】

【００２６】
６次の球面収差が
【００２７】
【数５】

【００２８】
で与えられる。ただしこれらの式におけるｎは屈折率を表している。これらを用いて半径Ｒ１からＲ２までの位相をφ遅らせる輪帯位相シフタを加えた収差は
【００２９】
【数６】

【００３０】
のように表せる。またストレール強度は
【００３１】
【数７】

【００３２】
のように近似できるから、これよりηを最大とするＲ１、Ｒ２、φ、制限開口のＮＡ、Ｗ２０、Ｗ００を求める。実際には数式処理ソフトを用いて、Ｗ２０、Ｗ００は解析的に求め、Ｒ１、Ｒ２、φ、制限開口のＮＡを数値的に求めた。その結果、位相シフタの内径はＮＡ０．２０、外径はＮＡ０．４２、制限開口のＮＡを０．４６とし、位相差を０．２６５λ（λ＝７８０ｎｍ）のとき、η＝０．４８が最大となり、マレシャルの基準によるη＝０．４５を上回っていることがわかった。一方、位相シフタを用いず、制限開口のみで最適化するとＮＡ０．３９でη＝０．３４が最大であった。つまりＮＡ０．４５に換算すれば、ストレール強度で０．６１から０．８６まで改善したことに相当する。この位相差に対してＤＶＤ再生時に生じる収差はＲＭＳ波面収差で０．０３３λ（λ＝６５０ｎｍ）であった。これはほぼレンズの加工精度と同等であり、実際上問題は生じないと考えられる。
【００３３】
この最適な位相差０．２６５λを先に述べたＤＶＤに影響を与えない位相差と比較すると、最も近いのはｍ＝２、ｎ＝２のときの逆輪帯位相マスク、またはｍ＝４、ｎ＝３のときの輪帯位相マスクの０．３３３λであることがわかる。しかしｍが大きくなると位相差を生じさせる膜、あるいはレンズの段差が厚くなり、半導体レーザに波長ずれが生じた場合の位相差のずれが大きくなるので、ここでは逆輪帯位相マスクの方が望ましい。このＤＶＤに影響を与えない位相差に固定した場合の位相シフタの形状を求めると、内径がＮＡ０．２０、外径がＮＡ０．４４、制限開口ＮＡ０．４８のとき、η＝０．４７が最大となった。これは上記の最適な位相差と比べてほとんど遜色ない。
【００３４】
この輪帯位相シフタをＤＶＤ専用レンズに適用した場合の収差低減の効果を、光線追跡で確認した。図６に光線追跡に用いたレンズの仕様、及び面形状を示す。ここで面形状のＲは中心曲率半径、ｋは円錐定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０はそれぞれ、４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。これらを用いて面形状は
【００３５】
【数８】

【００３６】
のように表せる。ここでは光軸に対して対称な形状が仮定されており、ｒは半径座標である。このレンズを用いて波長７８０ｎｍの平行光をＣＤの基板厚１．２ｍｍを通して集光したとき、開口数ＮＡ＝０．４５の範囲でのＲＭＳ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）波面収差は最良像点において、０．１２７９λであった。これに対して上記の輪帯位相板を付加したとき、ＲＭＳ波面収差は０．０７３６６λに低減できた。ただしこのとき用いた光線追跡ソフトでは１λ以上の位相差を扱えなかったため、位相板の厚さはｍ＝１、ｎ＝１の０．３３３３λ相当の厚さを用いた。したがってＤＶＤでの位相差は必然的に０となるため、波長６５０ｎｍでのＤＶＤの基板厚０．６ｍｍを通したスポット収差は０．００１λ以下となった。
【００３７】
以上では制限開口を用いるという前提で説明をしたが、これは必ずしも実際の開口を必要とすることを意味しない。実際にはＲＭＳ波面収差を評価関数として最適な焦点位置を求めるときの、瞳の評価範囲を指定するのとほぼ等価であると考えられる。制限開口の範囲内でなるべくＲＭＳ波面収差が小さくなるように焦点ずれを調整したとすると、制限開口の範囲外の光は当然収差が大きくなり、波面の傾斜も大きくなる。このためそのような領域の光線は焦点からは大きくはずれた位置で焦点面と交差する。したがって集光スポットに対して、このような光線は存在しないのとほぼ等価となる。
【００３８】
このように輪帯位相シフタのみを用いた場合に、スポット性能は改善されるものの、ＮＡ０．４５でのストレール強度換算で０．８６相当では、光学部品のずれや、ディスクの傾き、焦点ずれなどによるスポットの劣化を見込むと必ずしも十分でない可能性がある。そこでさらにこれに組み合わせてレンズの内側と外側で最適化する基板厚を変える。以下これを分割レンズと呼ぶ。これは発明者らによって波長６５０ｎｍでＤＶＤとＣＤの両方の互換をとる方法として発明された（特願平７ー３４２２０３）が、ＣＤを波長７８０ｎｍで再生する場合にはこの分割のＮＡを少なくともＮＡ０．４５以上にする必要があり、この場合にはＤＶＤを再生するときの収差が非常に大きくなってしまうという欠点があった。そこで位相シフタと分割レンズを組み合わせて、位相シフタ形状、位相差、内外分割半径、内側基板厚を同時に最適化したところ、分割レンズで発生する波長７８０ｎｍでのＣＤ再生時の収差と、波長６５０ｎｍでのＤＶＤ再生時の収差を両方とも低減し、ＣＤのスポット性能がさらに改善される解があることがわかった。以下これについて説明する。
【００３９】
分割レンズと位相シフタを組み合わせた場合の波面収差は
【００４０】
【数９】

【００４１】
のように表せる。ここではＲ１が輪帯位相シフタ内径、Ｒ２が分割半径、Ｒ３が輪帯位相シフタ外径、Ｒ４が制限開口半径である。分割半径を境として無収差となるためのディスク基板厚が異なり、外側ではＤＶＤに合わせて０．６ｍｍ、内側では最適化によってこれが０．６ｍｍと１．２ｍｍの間となる。したがってそれにともなって球面収差の収差係数Ｗ６０、Ｗ４０が添字１、２をつけて異なるように表示されている。また焦点ずれＷ２０１、Ｗ２０２は分割の内外でＲＭＳ波面収差を最小にするように球面収差量から決まり、定数項Ｗ００１、Ｗ００２は分割の内外で波面収差の平均値が同じなるようにして決まり、全体のＲＭＳ波面収差を最適化する。Ｗ２０１とＷ２０２、Ｗ００１とＷ００２の差はレンズ内外の対応基板厚差で決まり、Ｗ２０２、Ｗ００２を与えられた位相シフタの条件下でＲＭＳを最小とする条件から、数式処理ソフトで解析的に求めることでＷ２０１とＷ００１も求めた。さらに与えられた内側対応基板厚、分割半径Ｒ２について、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ４、位相差を数値的に変えてηを最大とする条件を求めた。その結果を図７に示す。ここで横軸は分割レンズの分割半径、縦軸はηであり、中心部基板厚を変えて最適条件での計算結果をプロットしている。またグラフ中にＣＤの無収差と、ストレール強度０．８相当の下限レベル、上記の最適位相シフタ、固定位相シフタを波線で示している。これらは分割レンズを用いていないのでこのグラフ上にはポイントではプロットできない。一方、このときＤＶＤ再生で生じるＲＭＳ波面収差を図８に示した。図７と図８を見比べるとわかるように中心部基板厚を１．２ｍｍに近づければ近づけるほどＣＤの性能は上がり、ＤＶＤの収差は増大する。したがってこれらのポイントの内、どこを最適点として採用するかは、システムのいろいろなマージンの配分によって判断が分かれる。しかし例えば中心基板厚０．７６ｍｍ、分割の境界のＮＡ０．４５のときの、ＣＤ性能η＝０．５２６（ＣＤストレール強度換算０．９４）、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差０．０２９９λ程度であればほぼ許容できるのではないかと考えられる。このとき位相シフタがない場合には、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差は０．０３１λであり、ＣＤについてはη＝０．４１４であった。したがってＣＤ、ＤＶＤともに位相シフタによって収差が低減していることがわかる。またこのポイントではＣＤ性能の最大値と、ＤＶＤ収差の最小値が一致している。このとき輪帯位相シフタの位相差は０．２９８５λ（λ＝７８０ｎｍ）、内径はＮＡ０．２１４５であり、外径はＮＡ０．４５で分割の境界のＮＡと一致していた。
【００４２】
図９に逆輪帯位相マスク作りつけの分割レンズ模式図を示す。逆輪帯マスクがレンズに作りつけであるため、輪帯位相マスクの領域が凹んでいる。このときディスク側の比較的曲率がゆるやかな面にも分割レンズによる段差を示しているが、これは設計上、像側のみにすることも可能である。
【００４３】
図１０にＣＤ再生波長のずれによるＣＤ再生スポット性能ηの値を示す。横軸の範囲は±２０ｎｍあるが、実際上、温度変化などでずれる波長範囲は±１０ｎｍ程度と考えられる。この範囲だとη＝０．５３から波長ずれー１０ｎｍでη＝０．５２程度の劣化であり、ＮＡ０．４５でのストレール強度換算で０．９３から０．９２程度の変化で、ほとんど影響はない。図中には先に述べた最適輪帯位相シフタ、固定輪帯位相シフタについても合わせて表示している。
【００４４】
図１１は波長６５０ｎｍでのＤＶＤ再生時の波長ずれに対するＲＭＳ波面収差であり、分割レンズと最適位相シフタを組み合わせた場合、収差は０．０３０λから、波長ずれー１０ｎｍで０．０３６λまで増加している。これも十分、許容範囲内と考えられる。また図中には先に述べた最適輪帯位相シフタ、固定輪帯位相シフタについても合わせて表示している。固定位相シフタについてはＤＶＤでは収差が発生しないような位相差が選ばれているので、波長ずれ０で収差は０となっている。最適位相シフタのみについては位相差がＤＶＤで収差を生じない位相差からずれているため、その位相差になる波長ずれ量に向けて線形に波面収差が変化している。
【００４５】
図１２は波長７８０ｎｍによるＣＤ再生時の波面収差形状を示している。それぞれ制限開口のＮＡ範囲で焦点ずれを最適化し、横軸はＮＡ０．６の全開口にわたる瞳の半径座標で示しているため、周辺部は収差が非常に大きくなっている。またそのとき縦軸は±０．５λの範囲内に折り畳んで表示しているため、周辺部は急激に振動しているように見えている。これらは制限開口のみで最適化した場合に比べてより広いＮＡで収差が抑えられている。また制限開口ＮＡの範囲の外側の波面の立ち上がりも急峻となっており、収差の大きいことによる制限開口の効果もより顕著となることが期待される。
【００４６】
図１３は波長６５０ｎｍによるＤＶＤ再生時の波面収差である。図１２での制限開口のみの場合と、固定位相シフタのみの場合には波面収差は完全に０となるので、ここでは分割レンズと最適位相シフタを組み合わせた場合と、最適位相シフタのみの場合を表示している。収差のまったく発生しない最外周部分でも収差が０となっていないことから、全体に若干焦点ずれを生じさせていることがわかる。これは位相シフタで発生した位相差を収差と考えた場合に、若干焦点ずれさせた方が全体のＲＭＳ波面収差が小さくなるためである。いずれにせよグラフ縦軸の値はかなり小さく、波面形状の特異さは実際上影響を及ぼさない程度のＲＭＳ波面収差に抑えられている。
【００４７】
図１４にスポット形状の計算結果を示す。グラフの横軸はスポットのピーク強度に対してｅｘｐ（ー２）倍の強度のスポットの全幅、縦軸はサイドローブの強度を中心強度で規格化した値である。したがってスポット、サイドローブ共に小さい方が望ましいので、プロット点がグラフの左下に近いほど分解能が高いスポットであるということができる。ここで対物レンズの瞳の強度分布としては対称なガウス分布を仮定し、瞳におけるガウス分布の中心の強度に対してｅｘｐ（ー２）倍の強度の範囲の幅に対するレンズ口径の比が０．１、レンズの中心部分の強度に対する周辺部分の強度が０．９８となる場合の計算結果である。図中白抜きの丸印が無収差のＣＤであり、これに近いほどＣＤと同レベルの再生性能が期待できる。黒い四角は通常のＤＶＤレンズに制限開口のみを用いた場合であり、実際に制限開口を挿入した場合、その焦点位置でそのまま制限開口をとりはらった場合、制限開口をとりはらってスポット中心強度が最大となるように焦点位置をずらした場合の３つのプロット点がある。この場合はいずれも無収差ＣＤよりもスポット分解能が劣っている。黒い三角印は最適輪帯位相シフタのみを挿入した場合であり、同様にして３つのプロット点がある。制限開口のみに比べてスポット径はかなり改善しているが、制限開口がないとサイドローブがかなり大きくなっている。白抜きの四角は分割レンズと最適輪帯位相シフタを組み合わせた場合である。同様にして３つのプロット点があるが、この３つがかなり接近していることがわかる。つまりこの場合には制限開口はあってもなくてもほとんど変わらず、仮想的な制限開口の範囲外の光の収差が急峻に増大しているためスポット形成には実質的に影響を与えていないことがわかる。この場合光スポットはＣＤ無収差に比べてスポット径がやや小さく、サイドローブが若干大きめとなっている。これでスポット性能の評価指標であったηの値がＣＤとほぼ同等から若干劣る程度であったのは、おそらく、サイドローブを低減しきれていない影響をスポット径を小さくして相殺している状況となっているのではないかと推測される。一方ＤＶＤを再生する場合のスポットの計算結果を白抜きの三角とひし形でグラフの左下にプロットしている。ひし形がＤＶＤを無収差で再生するスポット、三角が最適分割レンズと最適位相シフタを組み合わせた場合である。ＤＶＤについてはほとんど同じスポット形状となっている。
【００４８】
図１５に光ヘッドの実施例を示す。半導体レーザ４からの光をコリメートレンズ５により平行光としてビーム成形プリズム６１、６２により楕円ビームを円形ビームとする。ビーム成形プリズムは光学系の効率が十分高いか、ディスクのトラックピッチがディスク上の光スポットの主ローブと第１暗線の間隔より広い場合に、取り除いた方が部品点数、隣接トラッククロストーク低減のために有利となる場合もある。さらにこの光はビームスプリッタ７１を透過し、さらに立ち上げミラー８により反射され、２次元アクチュエータ９に搭載された本発明による対物レンズ３により光ディスク上に集光される。光ディスクはＣＤでもＤＶＤでもよい。２次元アクチュエータ９はトラッキング誤差信号により、ディスク半径方向に可動し、光スポットをトラック上に位置決めし、焦点誤差信号により光軸方向に可動し、焦点位置をディスク上に位置決めする。反射光は再び、対物レンズ３、立ち上げミラー８を経由して、ビームスプリッタ７１を反射し、検出光学系に導かれる。ビームスプリッタ７２を透過した光は集光レンズ１１１により集光光束とされ、ビームスプリッタ７３に入射する。ここでは透過光はシリンドリカルレンズ１２を透過し、４分割光検出器１３に入射する。この分割検出器の対角成分の和信号どうしの差動信号を差動増幅器１４１により出力し、焦点ずれ信号とする。一方ビームスプリッタ７３で反射した光は２分割光検出器１５に入射し、それぞれの出力の差動信号を差動増幅器１４２により出力することにより、トラッキング誤差信号を得る。またビームスプリッタ７２を反射した光は集光レンズ１１２により光検出器１６に集光され光電変換された信号は、アンプ１７で増幅され再生信号を得る。再生信号はサーボ信号検出用のディテクタの出力の和信号から検出しても差し支えない。この場合、信号帯域まで検出した信号をローパスフィルタなどで帯域制限してサーボ信号を検出すればよい。サーボ検出光学系は一例であり、他の方式を用いることも可能である。
【００４９】
以上では輪帯位相シフタは対物レンズに作りつけられている実施例を説明してきたが、図１６はＤＶＤ専用の対物レンズ１８と、独立した輪帯位相シフタ１９をハイブリッドに一体化して２次元アクチュエータに搭載した実施例である。ここでは図１５の立ち上げミラーからディスクまでの光学系に相当する部分だけを置き換えることを想定し、その部分だけを示した。
【００５０】
【発明の効果】
輪帯位相シフタ、またはそれとレンズ内外で無収差となる基板厚が異なる対物レンズを最適に組み合わせることにより、波長６５０ｎｍのレーザ光で基板厚０．６ｍｍのＤＶＤを、波長７８０ｎｍのレーザ光で基板厚１．２ｍｍのＣＤを、制限開口を必要とすることなく１つのレンズで再生することが可能となり、小型で安価な光ヘッドを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による対物レンズの基本的なイメージ図。
【図２】球面収差波面形状。
【図３】輪帯位相シフタによる波面収差形状。
【図４】逆輪帯位相シフタによる波面収差形状。
【図５】ＤＶＤに影響のない条件でのＣＤの位相シフト量。
【図６】光線追跡に用いたＤＶＤレンズ仕様。
【図７】分割レンズと位相シフタを組み合わせた場合のＣＤ再生スポット性能。
【図８】ＤＶＤ再生で生じるＲＭＳ波面収差。
【図９】最適逆輪帯位相シフタ作りつけの分割レンズ形状模式図。
【図１０】ＣＤ再生波長のずれによるＣＤ再生スポット性能の変化。
【図１１】ＤＶＤ再生時の波長ずれに対するＲＭＳ波面収差。
【図１２】ＣＤ再生時の波面収差形状。
【図１３】ＤＶＤ再生時の波面収差形状。
【図１４】スポット形状の計算結果。
【図１５】光ヘッドの実施例。
【図１６】対物レンズと輪帯位相シフタがハイブリッドに一体化された実施例。
【符号の説明】
１‥‥輪帯位相シフタつき対物レンズ、１０１‥‥輪帯位相シフト領域、２‥‥球面収差波面、１０２‥‥逆輪帯位相シフト領域、３‥‥逆輪帯位相シフタ一体型分割レンズ、４‥‥半導体レーザ、５‥‥コリメートレンズ、６１、６２‥‥ビーム成形プリズム、７１、７２、７３‥‥ビームスプリッタ、８‥‥立ち上げミラー、９‥‥２次元アクチュエータ、１０‥‥光ディスク、１１１、１１２‥‥集光レンズ、１２‥‥シリンドリカルレンズ、１３‥‥４分割ディテクタ、１４１、１４２‥‥差動アンプ、１５‥‥２分割ディテクタ、１６‥‥ディテクタ、１７‥‥アンプ、１８‥‥ＤＶＤ用対物レンズ、１９‥‥輪帯位相シフタ。

Claims

第１の波長のレーザ光を第１の厚さの基板に集光し、前記第１の波長とは波長の異なる第２の波長のレーザ光を前記第１の厚さとは異なる厚さの第２の厚さの基板に集光する対物レンズであって、
前記対物レンズの内側と外側で収差なく集光するための基板厚さが異なっており、
前記対物レンズは凹型に輪帯位相シフタを有し、
前記第１の波長を用いた際に生じる収差と前記第２の波長を用いた際に生じる収差を共に低減させるように前記凹型の深さが調整されていることを特徴とする対物レンズ。
前記第１の波長は７８０ｎｍであり、前記第２の波長は６５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
前記第１の厚さは１．２ｍｍであり、前記第２の厚さは０．６ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載の対物レンズ。
第１の波長と、前記第１の波長と波長の異なる第２の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ光源と、
前記レーザ光を基板に集光する対物レンズとを有し、
前記対物レンズの内側と外側で収差なく集光するための基板厚さが異なっており、
前記対物レンズに凹型の輪帯位相シフタを有し、
前記第１の波長を用いた際に生じる収差と前記第２の波長を用いた際に生じる収差を共に低減させる用に前記凹型の深さが調整されていることを特徴とする光ヘッド。