JP3887139B2 - 対物レンズ、これを用いた光ヘッド - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、保護層の厚さや記録密度が異なる複数種類の光ディスクに対する記録／再生が可能な光ディスク装置に用いられる対物レンズ、および光ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクには、保護層(記録面を覆う透明基板)の厚さや記録密度が異なる複数の規格がある。例えば、記録密度が比較的低いＣＤ(コンパクトディスク)、ＣＤ−Ｒ(ＣＤレコーダブル)の保護層の厚さは1.2mmであるのに対し、記録密度が比較的高いＤＶＤ(デジタルバーサタイルディスク)の保護層の厚さは半分の0.60mmである。
【０００３】
記録密度が高いＤＶＤの記録・再生には、ビームスポット径を小さく絞るために６３５−６６０ｎｍ程度の短波長のレーザー光を利用する必要がある。一方、ＣＤ−Ｒの記録・再生にはその反射特性から７８０ｎｍ程度の長波長のレーザー光を利用する必要がある。
【０００４】
これらの光ディスクは、混在して利用されるため、光ディスク装置はいずれの規格の光ディスクをも利用可能であることが望ましい。このため、ＤＶＤとＣＤ−Ｒとを共に利用するためには、光ディスク装置は、それぞれの光ディスクの特性に応じた波長のレーザー光を発する少なくとも２つの半導体レーザーを備える必要がある。また、光ディスク装置の小型化のためには、光ヘッドの光学系もできる限りコンパクトであることが望ましく、対物レンズ等の光学素子については２つの波長について兼用とし、光源部には２つの半導体レーザーを１つのパッケージに組み込んだモジュールを利用することが望ましい。
【０００５】
例えば、特開平１０−２６１２４０号公報には、この種の光ディスク装置が開示されている。上記のように２つの半導体レーザーを１つのパッケージに組み込んだモジュールを使用する場合には、各半導体レーザーの発光点が対物レンズの光軸に対して垂直な方向に並列するため、少なくともいずれか一方の半導体レーザーの発光点は、対物レンズの軸外に配置されることになる。上記公報に開示される実施例では、許容される収差量が小さいＤＶＤ用の半導体レーザーチップ(660nm)を対物レンズやコリメートレンズからなるレンズ系の光軸上に配置し、ＣＤ用の半導体レーザーチップ(780nm)をレンズ系の光軸外に配置している。このため、上記公報の光学系は、ＣＤ用のレーザービームの収差(特にコマ収差)が大きくなるという問題を有する。
【０００６】
他方、特開平１０−２６１２４１号公報には、上記と同様の光学系にホログラフィック光学素子(HOE)を追加し、この素子により発光点が軸外に配置されたＣＤ用のレーザー光の光路のみを偏向して対物レンズの光軸に対して平行に入射させることにより、コマ収差の発生を抑える技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−２６１２４１号公報に開示されるホログラフィック光学素子は、ＤＶＤ用のレーザー光については０次光を利用し、ＣＤ用のレーザー光については−１次光を利用するため、両波長に対して高い回折効率を維持することができず、光量損失が大きいという問題がある。また、このような特殊な作用を持つホログラフィック光学素子を追加すると、装置全体のコストが高くなるという問題がある。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、２つの半導体レーザーを１つのパッケージに組み込み、各半導体レーザーの発光点が対物レンズの光軸に対して垂直な方向に並列するモジュールを利用し、対物レンズ等の光学素子を２つの波長について兼用した場合にも、特殊な素子を追加することなく収差の発生を抑え、規格が異なる複数の光ディスクに対して信号の記録再生が可能な光ディスク装置に含まれる対物レンズおよび光ヘッドの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる対物レンズは、上記の目的を達成させるため、レーザー光の発光点側となる第１面と光ディスク側となる第２面とをそれぞれの回転軸回りに回転対称なレンズ面とし、第１面の回転軸と第２面の回転軸とを相対的に偏心させることにより、第１面と第２面の回転軸が一致する仮想状態における光軸に対して垂直な方向に離れた第１の発光点からの短波長のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際のコマ収差を打ち消すと共に、光軸に対して垂直に第１の発光点と異なる方向に離れた第２の発光点からの長短波長のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際のコマ収差を打ち消すようにしたことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明の対物レンズは、対物レンズの第１面と第２面の回転軸が一致する仮想状態において、短波長のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際の対物レンズの外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ1、長波長のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際の共用領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ2として、以下の条件(１)、
−４．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜ −０．２５ …(１)
を満たすことを特徴とする。正弦条件違反量ＳＣの値は以下の式、
ＳＣ＝ｎＨ1／(ｎ'sinＵ')−ｆ(１−ｍ)
で定義される。式中、ｎは入射側の屈折率、ｎ'は射出側の屈折率、Ｕ'は射出光の光軸となす角、ｍは近軸倍率、Ｈ1は主平面上の入射高さ、ｆは焦点距離である。また、共用領域は、第２の光ディスクに必要十分なＮＡに相当する光が対物レンズを透過する領域として定義される。
【００１１】
条件式(１)は、第１面と第２面の回転軸が互いに一致する仮想状態において、対物レンズが第１の光ディスクに対しても第２の光ディスクに対してもコマ収差を持つことを規定する。このようなコマ収差を持つ対物レンズに対して第１，第２の半導体レーザーからのレーザー光が斜めに入射すれば、コマ収差により波面収差が大きくなる。ここで、第１面と第２面の回転軸を互いに偏心させると、この偏心により新たにコマ収差が発生する。そして、レンズ形状、および半導体レーザーの発光点位置を適宜設定すると、偏心により発生するコマ収差とレーザー光の斜め入射により発生するコマ収差とを互いに打ち消し合わせることができる。
【００１２】
なお、「偏心」は、一方の回転軸を他方に対して傾けること、および一方の回転軸に対して他方を平行にシフトさせることを含む。ただし、高次のコマ収差の発生を抑えるためには、シフトより傾ける方が望ましい。また、コマ収差を補正するための偏心量はごく微小であるため、組み付け時の便宜を図るため、偏心の方向を示すマークをレンズ周辺部に形成することが望ましい。マークは、インク等により表示してもよいし、樹脂成型の場合にはゲートの方向を偏心の方向に合わせておき、ゲートカットにより表示してもよい。
【００１３】
また、この発明の光ヘッドは、短波長のレーザー光を発光する第１の半導体レーザーと、長波長のレーザー光を発する第２の半導体レーザーと、短波長のレーザー光を保護層の薄い第１の光ディスクの記録面上に集光させ、長波長のレーザー光を保護層の厚い第２の光ディスクの記録面上に集光させる上記の対物レンズとを備え、短波長のレーザー光を第１の光ディスクの記録面上に集光させる際にコマ収差が最小となる第１の位置に第１の半導体レーザーの発光点を配置し、長波長のレーザー光を第２の光ディスクの記録面上に集光させる際にコマ収差が最小となる第１の位置とは異なる第２の位置に第２の半導体レーザーの発光点を配置したことを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、各発光点からのレーザー光を各光ディスクに対して集光させる際に、いずれもコマ収差による影響を抑えることができる。ここで、対物レンズの第１面と第２面の回転軸が互いに一致する仮想状態における光軸を基準軸、基準軸と第１、第２の半導体レーザーの発光点とを含む平面を基準平面と定義する。
【００１５】
相対的に偏心した第１面の回転軸と第２面の回転軸とがいずれも基準平面内に含まれる必要がある。また、第１、第２の半導体レーザーの発光点が、基準軸を境として互いに異なる側に配置されることが望ましい。各発光点を同一の側に配置してコマ収差を抑えられる解もあるが、非点収差等の他の収差の影響を考慮すると、異なる側に配置される方が望ましい。
【００１６】
第１面の回転軸と第２面の回転軸とを相対的に傾ける場合には、対物レンズの厚さが薄くなる側に第1のレーザー光が集光し、厚くなる側に第２のレーザー光が集光するように、第１，第２の半導体レーザーの発光点を配置することが望ましい。
【００１７】
発光点が基準軸を境に互いに異なる側に配置されるようにするには、対物レンズは、第１面と第２面の回転軸が一致する仮想状態において、第１の光ディスクの保護層と第２の光ディスクの保護層との中間の厚さの保護層を持つ仮想ディスクに対してコマ収差が最小となるよう設定される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる対物レンズを用いた光ディスク装置の実施形態を説明する。最初に、ＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ互換の光ディスク装置の実施形態を説明した後、これらの光ディスク装置に利用される対物レンズの具体的な設計例を説明する。
【００１９】
図１は、実施形態にかかる光ディスク装置１を示す説明図である。光ディスク装置１は、光ディスク２を回転駆動するディスク駆動部としてのモーター３と、レーザーモジュール９及び対物レンズ１６を含む光ヘッド６とを備える。モータ３は、取付台４を介して光ディスク装置１の筐体底面に支持されている。光ディスク２は、記録面が装置筐体の底面に対して平行となるようモーター３の回転軸５に取り付けられて回転駆動される。光ディスク２は、 具体的には保護層の厚さが０．６ｍｍで記録や再生に適するレーザー波長が約６６０ｎｍのＤＶＤ(第１の光ディスク)、または、保護層の厚さが１．２ｍｍで記録や再生に適するレーザー波長が約７８０ｎｍのＣＤ−ＲＯＭやＣＤ―Ｒ(第２の光ディスク)を含む。
【００２０】
光ヘッド６は、ボイスコイルモーター等の粗動機構７により、シークのために光ディスク２の記録面と平行な方向に沿ってレール８上をスライドする。光ヘッド６に含まれるレーザーモジュール９には、短波長(６５９ｎｍ)のレーザー光１３ａを発光するＤＶＤ用の第１の半導体レーザー１４ａと、第１の半導体レーザー１４ａの発光点に近接して発光点が配置され、長波長(７９０ｎｍ)のレーザー光１３ｂを発するＣＤ用の第２の半導体レーザー１４ｂとが組み込まれている。
【００２１】
また、光ヘッド６は、各半導体レーザー１４ａ，１４ｂから発した発散光であるレーザー光を平行光にするコリメートレンズ１０と、平行光とされて光ディスク２の記録面に対して平行に進むレーザー光を光ディスク２側に向けて対物レンズ１６に入射させる反射部材としての立ち上げミラー１１とを備えている。対物レンズ１６は、後述の複合素子１５と共にレンズアクチュエータ１２に取り付けられている。レンズアクチュエータ１２は、フォーカシング及びトラッキングのために対物レンズ１６を複合素子１６と一体にして光ディスク２の法線方向、及び半径方向に駆動する微動機構としての機能を有している。対物レンズ１６は、第１の半導体レーザー１４ａから発した波長６５９ｎｍのレーザー光１３ａを保護層の薄いＤＶＤの記録面上に集光させ、第２の半導体レーザー１４ｂから発した波長７９０ｎｍのレーザー光１３ｂを保護層の厚いＣＤ，ＣＤ−Ｒの記録面上に集光させる。
【００２２】
また、対物レンズ１６は、共に回転対称な第１面と第２面とを備える単レンズであり、半導体レーザー側となる第１面の回転軸が光ディスク２の法線に一致し、光ディスク２側となる第２面の回転軸１６'が光ディスクの法線に対して傾くよう形成されている。ここで、説明のため、対物レンズ１６の第１面と第２面の回転軸が一致する仮想状態における光軸を基準軸１０'、基準軸１０'と第１、第２の半導体レーザー１４ａ，１４ｂの発光点とを含む平面を基準平面と定義する。基準軸１０'はコリメートレンズ１０の光軸および光ディスクの法線に一致し、基準平面は図１の紙面と平行である。
【００２３】
コリメートレンズ１０の光軸に一致した基準軸１０'は、立ち上げミラー１１の反射面１１'により直角に偏向され、光ディスク２の法線に一致する。また、対物レンズ１６は、第１面と第２面の回転軸が一致する仮想状態において、０．６ｍｍと１．２ｍｍとの中間の厚さの保護層を持つ仮想ディスクに対してコマ収差が最小となるよう設定されている。
【００２４】
このような設定においては、上記の仮想状態においてＤＶＤの使用時とＣＤ，ＣＤ−Ｒの使用時とで発生するコマ収差の符号が異なることとなる。ここで、第２面の回転軸を基準軸１０'に対して傾けると、レーザー光１３ａをＤＶＤの記録面上に集光させる際にコマ収差が最小となる第１の位置と、レーザー光１３ｂをＣＤ，ＣＤ−Ｒの記録面に集光させる際にコマ収差が最小となる第２の位置とが基準軸１０'を境として互いに異なる側に振り分けられる。そして、第１の半導体レーザー１４ａは第１の位置に発光点を位置させ、第２の半導体レーザー１４ｂは第２の位置に発光点を位置させているため、半導体レーザー１４ａ，１４ｂは基準軸１０'を境として互いに異なる側に配置されている。なお、第２面の回転軸の基準軸１０'に対する傾きは、第１の半導体レーザー１４ａから発したレーザー光１３ａの第２面に対する入射角度が、第２の半導体レーザー１４ｂから発したレーザー光１３ｂの第２面に対する入射角度より小さくなる方向である。これにより、第１面の回転軸と第２面の回転軸とを相対的に傾けることにより対物レンズの厚さが薄くなる側に第1のレーザー光が集光し、厚くなる側に第２のレーザー光が集光する。
【００２５】
続いて、上記のレンズアクチュエータ１２の構造について説明する。図２(ａ)は、レンズアクチュエータ１２を光ディスク２の方向から見た上面図、(ｂ)は横方向から見た側面の断面図である。対物レンズ１６と複合素子１５とは、レンズホルダー３１に一体に保持され、このレンズホルダー３１は、線状のバネ３２により保持台３３に取り付けられている。レンズホルダー３１の両側面には、コイル３４が取り付けられており、各コイル３４に対向する位置に、磁石３５が固定されている。これらの磁石３５と保持台３３は、光ヘッド筐体３７に固定されている。コイル３４に電流を流すと、コイル３４と磁石３５の間で発生する電磁気力により、レンズホルダー３１を光ディスク２の法線方向に移動させてフォーカシング制御を行うことができ、あるいは、レンズホルダー３１を光ディスク２の半径方向に移動させてトラッキング制御を行うことができる。
【００２６】
複合素子１５は、１／４波長板と偏光性回折格子とを組み合わせた素子であり、その偏光性回折格子の部分は、図３に示すように、互いに直交する境界線４１と４２とにより４つの領域に区分されている。図中の円４３は、レーザー光１３ａの入射範囲を示す。この偏光性回折格子は、常光線として入射する光束をそのまま透過させ、異常光線として入射する１本の光束を各領域毎に±１次光として回折させることにより８本の光束に分岐させる。偏光性回折格子の４つの領域の回折格子は、格子溝の方向が異なるが、格子溝の間隔は等しい。そこで、８つの±１次回折光は、回折方向は異なるが回折角度は等しくなる。
【００２７】
半導体レーザー１４ａ，１４ｂから発したレーザー光１３ａ，１３ｂは、複合素子１５に対して常光線として入射するよう設定されており、偏光性回折格子を透過して１／４波長板により円偏光に変換される。光ディスク２で反射されたレーザー光は、入射時とは逆方向の円偏光となっているため、再び１／４波長板を通ることにより偏光性回折格子に対して異常光線として入射し、８本の光束に分岐される。これらの８つの回折光は、各々コリメートレンズ１０で集光され、レーザーモジュール９内に８つのスポットとして集束する。
【００２８】
次に、上記のレーザーモジュール９の構造について説明する。図４(ａ)は、レーザーモジュール９を正面から見た平面図、(ｂ)はそのＢ−Ｂ'線に沿う断面図である。レーザーモジュール９は、窒化アルミニュウム等の熱伝導の良い材料で成形されたパッケージ２１と、電気信号を伝達するためにパッケージ２１を貫通して配置された複数のリード線２２とを備えている。パッケージ２１の内部には、シリコン等の半導体基板２４が形成され、パッケージ２１の上面は光透過性のガラス板２３で密閉されている。半導体基板２４にはエッチング等により凹部２５が形成されており、凹部２５の斜面は約４５度の角度の鏡面２６となる。半導体レーザー１４ａ，１４ｂは、鏡面２６に対向するように凹部２５に搭載されており、図４(ｂ)の紙面右方向にレーザー光１３ａ，１３ｂを発する。レーザー光１３ａ．１３ｂは、鏡面２６で反射され、ガラス板２３を通過してレーザーモジュール９から射出する。
【００２９】
図５は、レーザーモジュール９の半導体基板２４の部分の拡大図である。半導体基板２４上には、フォーカシングエラー信号を得るための対向する一対の細長い光検出素子５３ａ，５３ｂが４組と、トラッキングエラー信号と情報再生信号を得るための４つの光検出素子５６とが形成されている。各組の光検出素子５３ａ，５３ｂは、アルミニューム等の導電性薄膜５４で図に示したごとく結線され、ワイヤーボンディング用パット５５のＡ端子とＢ端子とに接続されている。また、光検出素子５６は、Ｃ端子、Ｄ端子、Ｅ端子、Ｆ端子にそれぞれ接続されている。
【００３０】
フォーカシングエラー検出用の１組の光検出素子５３ａ，５３ｂがそれぞれ短辺方向に並列する一対の長方形の領域により構成されるのは、ダブルナイフエッジ方式によるフォーカシングエラー検出を行うためである。光スポットの焦点が光ディスクの記録面と一致している場合には、四半分のスポットも一対の長方形の領域の間に焦点を結ぶ。焦点が光ディスクの記録面から外れると、ディテクタ上のスポットは大きくなり、焦点が記録面より手前にずれると一方の長方形の領域の側、後ろ側にずれると他方の長方形の領域の側に偏る。したがって、各ペアで焦点が手前にずれた際にスポットを受ける領域の出力の総和と、後ろ側にずれた際にスポットを受ける領域の出力の総和との差動信号を演算すると、フォーカシングエラー信号が得られる。このようにして複数のペアの領域の出力に基づいてフォーカシングエラー信号を求めると、スポットの位置ずれの影響が互いにキャンセルされるため、さほど厳密に調整しなくとも、信号の精度を高く維持することができる。
【００３１】
半導体レーザー１４ａ，１４ｂから発したレーザー光は、鏡面２６上のポイント５２ａ，５２ｂで示す位置で反射され、図５の紙面と垂直な方向に反射される。８つの黒塗りの四半分円５１ａは、ＤＶＤの利用時に第１の半導体レーザー１４ａから発し、光ディスクで反射された後に複合素子１５で８分割された反射光のスポットであり、これらは位置５２ａを中心とした円周上に位置する。８つの白抜きの四半分円５１ｂは、ＣＤ，ＣＤ−Ｒの利用時における８分割された反射光のスポットであり、位置５２ｂを中心とした円周上に位置する。それぞれ８つのスポットのうち４つの−１次回折光によるスポットは、光検出素子５３ａ，５３ｂの各組上に集光し、残りの４つの＋１次回折光によるスポットは、それぞれ光検出素子５６上に集光する。
【００３２】
レーザーモジュール９の各端子からの出力信号は、図６に示す信号処理回路により処理される。差動回路６１は、パット５５のＡ端子とＢ端子とに接続され、両端子の信号レベルの差をとることによりナイフエッジ法(フーコー法)によるフォーカシングエラー信号６２を出力する。
【００３３】
差動回路６３ａは、Ｃ端子とＤ端子とからの出力信号を加算する加算回路６３ｂの出力と、Ｅ端子とＦ端子とからの出力信号を加算する加算回路６３ｃの出力との差をとることにより、案内溝等を有する光ディスクを用いた場合のプッシュプル法によるトラッキングエラー信号６４を出力する。加算回路６３ｄは、加算回路６３ｂ，６３ｃの出力信号を加算して情報再生信号６５を出力する。さらに、差動回路６６ａは、Ｃ端子とＥ端子とからの出力信号を加算する加算回路６６ｂの出力と、Ｄ端子とＦ端子とからの出力信号を加算する加算回路６６ｃの出力との差をとることにより、案内ピット等を有する光ディスクを用いた場合の位相差法によるトラッキングエラー信号６７を出力する。
【００３４】
検出されたフォーカシングエラー信号やトラッキングエラー信号を、図２に示したレンズアクチュエータ１２のコイル３４に供給し、レンズアクチュエータ１２に取り付けられた対物レンズ１６を光軸方向およびディスク半径方向に駆動することによって、自動焦点制御やトラック追従制御を達成することができる。ＤＶＤ，ＣＤ−Ｒへの情報の記録時には、第１の半導体レーザー１４ａあるいは第２の半導体レーザー１４ｂから発するレーザー光の強度を情報記録信号に応じて変調することにより、情報を光ディスク２に記録することができる。また、ＤＶＤ，ＣＤ，ＣＤ−Ｒからの情報の再生時には、第１の半導体レーザー１４ａあるいは第２の半導体レーザー１４ｂから発するレーザー光の強度を一定に保ち、検出される情報再生信号６５から記録された情報を再生することができる。
【００３５】
次に、図７に基づいてコマ収差補正の原理について説明する。最初に、ＣＤの保護層厚さ１．２ｍｍとＤＶＤの保護層厚さ０．６ｍｍの中間の厚さの保護層を持つ光ディスク７１を想定し、このディスクの法線が対物レンズ１６の光軸１６'に一致する状態を想定する。対物レンズ１６の光軸１６'に対してθ傾いて入射する光束の主光線を７４、周辺光線を７５、７６とし、周辺光線７５，７６と光ディスク７１の入射側の面との交点をそれぞれＡ、Ｂで表す。
【００３６】
ここで、対物レンズ１６が光ディスク７１に対してコマ収差補正されていれば、斜めに入射する光束は保護層を通して結像点Ｓに結像する。このような設計は、非球面を用いた単レンズや数枚の球面レンズの組み合わせ等で達成することができる。この設計で光ディスク７１に代えて厚い保護層を有するＣＤ，ＣＤ−Ｒを配置すると、入射側の面７２が７２'で示す位置に移動し、収差が発生する。移動後の入射側の面７２'と光線７５，７６との交点をそれぞれＡ'，Ｂ'とする。
【００３７】
対物レンズに対する入射角度θがゼロであれば、発生する収差は主として主光線７４に関して軸対称な球面収差であるため、入射ビームを発散・収束度合いを変え、あるいは、同心円状の回折格子を用いて補正することができる。しかし、入射角度θが図７に示すようにゼロでない場合には、Ａ'−Ａ間の光路長の増加の方がＢ'−Ｂ間の光路長の増加よりも大きくなるため、コマ収差が発生する。このとき発生するコマ収差の符号を仮に負とする。入射ビームの傾きが光軸１６'に対して図７とは反対方向の場合は、正のコマ収差が発生する。
【００３８】
他方、中間の厚さの保護層を有する光ディスク７１に代えて薄い保護層を有するＤＶＤを配置すると、入射側の面７２が７２"で示す位置に移動し、収差が発生する。移動後の入射側の面７２"と光線７５，７６との交点をそれぞれＡ"，Ｂ"とする。そして、入射角度θが図７に示すようにゼロでない場合には、Ａ−Ａ"間の光路長の減少の方がＢ−Ｂ"間の光路長の減少よりも大きく、コマ収差が発生する。この時に発生するコマ収差の符号は正である。入射ビームの傾きが光学的主軸１６'に対して図7とは反対方向の場合は、負のコマ収差が発生する。
【００３９】
光ディスク７１に代えてＤＶＤ，ＣＤ，ＣＤ−Ｒを利用した場合の入射角度θとコマ収差との関係を図８に示す。図中の横軸が入射角度θ、縦軸が発生するコマ収差の大きさを符号も含めて表す。グラフの実線曲線８１は、光ディスク７１に代えてＤＶＤを配置した場合、破線曲線８２は光ディスク７１に代えてＣＤを配置した場合をそれぞれ示す。例えば、ＤＶＤに対して入射角度θを正方向に設定した場合、および、ＣＤに対して入射角度θを負方向に設定した場合には、いずれの場合も正のコマ収差が発生する。なお、一定の入射角度に対して生じるコマ収差の量は、対物レンズ１６の基本形状を変更することにより変えることができる。例えば、想定される光ディスク７１の保護層の厚みを厚めに設定すれば、これに対してコマ収差を補正すると、実線曲線８１の傾きはより大きく、破線曲線８２の傾きはより小さくなる。逆に、想定される光ディスク７１の保護層の厚みを薄めに設定すれば、これに対してコマ収差を補正すると、実線曲線８１の傾きはより小さく、破線曲線８２の傾きはより大きくなる。
【００４０】
そして、図１に示したように、半導体レーザー１４ａ，１４ｂは基準軸１０'を境に互いに異なる側に配置されているため、レーザー光１３ａとレーザー光１３ｂとは、いずれもコリメートレンズ１０により平行光となり、対物レンズ１６に対して互いに反対方向に傾いて入射する(入射角度の符号が逆になる)ので、いずれのレーザー光にも同符号のコマ収差が生じる。
【００４１】
一方、対物レンズ１６の第２面の回転軸１６'を基準軸１０'に対して傾けると、ＤＶＤ，ＣＤのいずれの使用時にも同符号のコマ収差が発生する。したがって、斜入射によって発生したコマ収差とは逆符号のコマ収差を回転軸１６'の傾きにより発生させれば、これらを互いに打ち消し合わせてキャンセルすることができる。ＤＶＤとＣＤとでは保護層厚さと規定の開口数が異なるので、同じ入射角度θに対して発生するコマ収差の量は異なる。しかしながら、斜入射により発生するコマ収差の量は、対物レンズ１６の基本形状を変更することにより調整できるため、ＤＶＤ，ＣＤの双方に対してコマ収差をキャンセルすることが可能である。
【００４２】
次に、対物レンズ１６について説明する。図９は、対物レンズ１６に形成された回折レンズ構造を示す説明図であり、(A)は正面図、(B)は側面から見た断面図、(C)は(B)の一部拡大図である。また、図１０は、対物レンズ１６のレンズ面の傾きを示す説明図である。
【００４３】
対物レンズ１６は、非球面である２つのレンズ面１６ａ，１６ｂを有する両凸の樹脂製単レンズであり、一方のレンズ面１６ａに図９(Ａ)に示したように光軸を中心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持ち、波長が長くなるにしたがって補正不足となる球面収差の波長依存性を有する。
【００４４】
光ディスク光学系の球面収差は、保護層が厚くなるとより補正過剰となる方向に変化する。一方、保護層が薄いＤＶＤについては短波長、保護層が厚いＣＤについては長波長のレーザー光が用いられる。そこで、ＤＶＤの使用時を基準として球面収差を補正し、上記のように回折レンズ構造に波長が長波長に変化した場合に球面収差が補正不足となる方向に変化する特性を持たせることにより、ＤＶＤからＣＤへの切換で補正過剰となる球面収差を、波長の長波長側への変化により生じる回折レンズ構造の補正不足方向の球面収差を利用して打ち消すことができる。
【００４５】
対物レンズ１６の表面は、記録密度の低いＣＤ，ＣＤ−Ｒ等の光ディスクに必要十分な低NAの光束が透過する共用領域Ｒｃと、この共用領域Ｒｃの周囲に位置し、ＤＶＤ等の記録密度の高い光ディスクに対してのみ必要な高NAの光束が透過する高NA専用領域Ｒｈとに区分することができる。回折レンズ構造は、共用領域Ｒｃと高NA専用領域Ｒｈとを含む第１面１６ａの全域に形成されている。
【００４６】
また、対物レンズ１６は、図１０に示すように、第１面１６ａの回転軸が基準軸１０'に一致し、第２面１６ｂの回転軸１６'が基準軸に対して傾くよう形成されている。第２面１６ｂの傾きの方向は、第１の半導体レーザー１４ａから発したレーザー光の第２面１６ｂに対する入射角度が、第２の半導体レーザー１４ｂから発したレーザー光の第２面１６ｂに対する入射角度より小さくなる方向である。なお、図中の破線で示す曲線１６ｂ'は傾きがない状態の第２面を示している。また、図１０では、説明のため傾きを実際より過大に示している。
【００４７】
対物レンズ１６は、短波長のレーザー光を第１の光ディスクに集光させる際の高NA専用領域Ｒｈ内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ1、長波長のレーザー光を第２の光ディスクに集光させる際の共用領域Ｒｃ内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ2として、以下の条件(１)、
−４．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜ −０．２５ …(１)
を満たす。
【００４８】
正弦条件違反量ＳＣの値は以下の式、
ＳＣ＝ｎＨ1／(ｎ'sinＵ')−ｆ(１−ｍ)
で定義される。式中、ｎは入射側の屈折率、ｎ'は射出側の屈折率、Ｕ'は射出光の光軸となす角、ｍは近軸倍率、Ｈ1は主平面上の入射高さ、ｆは焦点距離である。
【００４９】
次に、上述した実施形態に基づく具体的な実施例を提示する。なお、以下の説明では、最初に図１１〜図１８に基づいて対物レンズ１６の第１面の回転軸と第２面の回転軸とが一致する仮想状態での特性を説明し、続いて、図１９、図２０に基づいて第２面を傾けた場合の特性について説明する。
【００５０】
図１１は、実施例にかかる対物レンズ１６と光ディスク２(ＤＶＤ)とを示すレンズ図である。回折レンズ構造は、対物レンズ１６の第１面１６ａに形成され、１次回折光を光ディスクの記録面上に収束させる。第２面１６ｂは段差のない連続的な非球面として形成されている。
【００５１】
実施例の対物レンズの具体的な数値構成は、表１〜表３に示されている。表１はレンズ全体のデータ、表２は第１面、表３は第２面のデータを示す。実施例の対物レンズ１６は、0≦h＜1.25の範囲が共用領域Ｒｃ、1.25≦h＜1.41の範囲が高NA専用領域Ｒｈである。表中、λ1、NA1、ｆ1は、それぞれ第１の光ディスクであるＤＶＤ使用時の波長、開口数、焦点距離であり、λ2、NA2、ｆ2は、それぞれ第２の光ディスクであるＣＤ使用時の波長、開口数、焦点距離であり、ｎλは各レンズの波長λnmでの屈折率である。
【００５２】
【表１】
Figure 0003887139
【００５３】
第１面１６ａの共用領域Ｒｃと高NA専用領域Ｒｈとは、ベースカーブ(回折レンズ構造を除く屈折レンズとしての形状)、回折レンズ構造が共に異なる形状、作用を有する。ベースカーブを規定する非球面は、光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ(h)、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をA4,A6,A8,A10,A12として、以下の式で表される。
Ｘ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+K)C2h2))+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
【００５４】
また、回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐn、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(Ｐ2ｈ2＋Ｐ4ｈ4＋Ｐ6ｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表すことができる。光路差関数φ(ｈ)は、回折面上での光軸からの高さｈの点において、回折レンズ構造により回折されなかった場合の仮想的な光線と、回折レンズ構造により回折された光線との光路差を示す。以下の表２に、第１面１６ａの非球面係数、光路差関数係数を示す。λＢは回折レンズ構造のブレーズ化波長である。
【００５５】
【表２】
Figure 0003887139
【００５６】
【表３】
Figure 0003887139
【００５７】
図１２は、図１１の仮想状態において、ＤＶＤ使用時に第１の半導体レーザー１４ａから発した光束が実施例の対物レンズ１６に入射角度０で入射した場合の諸収差を示す。(A)は波長659nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＳＣ、(B)は659nm,654nm,664nmの各波長の球面収差で表される色収差、(C)は非点収差(DS:サジタル、DM:メリディオナル)を示している。各グラフ(A),(B),(C)の横軸は各収差の発生量を示し、単位はｍｍである。また、グラフ(A),(B)の縦軸は開口数ＮＡ、(C)の縦軸は画角Ｗである。
【００５８】
また、図１３は図１１に示す仮想状態において、ＤＶＤ使用時に第１の半導体レーザー１４ａから発した光束が実施例の対物レンズ１６に所定の入射角度で入射した場合の波面収差を示し、(A)〜(D)はメリディオナル方向、(E)〜(H)はサジタル方向の収差を示す。各グラフの横軸は入射瞳、縦軸は波面収差量を示す。また、(A),(E)が入射角度０゜、(B),(F)が入射角度０．５゜、(C),(G)が入射角度０．７５゜、(D),(H)が入射角度１．０゜の場合を示している。
【００５９】
図１４は、ＤＶＤ使用時に第１の半導体レーザー１４ａから発した光束の対物レンズに対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。図１２(Ａ)に示すように、対物レンズ１６は、ＤＶＤに対して正のコマ収差を有するため、入射角度が大きくなると図１５(Ｂ)〜(Ｄ)、および図１４に示すように波面収差が劣化する。
【００６０】
図１５は、実施例の対物レンズ１６と第２の光ディスク２であるＣＤとを示す仮想状態のレンズ図である。図１６は、図１５の仮想状態において、第２の半導体レーザー１４ｂから発した光束が実施例の対物レンズ１６に入射角度０で入射した場合の諸収差を示す。(A)は波長790nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件違反量ＳＣ、(B)は790nm,785nm,795nmの各波長の球面収差で表される色収差、(C)は非点収差を示す。
【００６１】
また、図１７は図１５に示す仮想状態において、第２の半導体レーザー１４ｂから発した光束が対物レンズ１６に所定の入射角度で入射した場合の波面収差を示す。各グラフの定義は図１５と同一である。さらに、図１８は、ＣＤ使用時に第２の半導体レーザー１４ｂから発した光束の対物レンズに対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。実施例の対物レンズ１６は、ＣＤに対して負のコマ収差を有するため、入射角度が大きくなると図１７(Ｂ)〜(Ｄ)、および図１８に示すように波面収差が劣化する。ただし、図１６(Ａ)、および図１７(Ｂ)〜(Ｄ)と図１２(Ａ)、および図１３(Ｂ)〜(Ｄ)とを比較するとわかるように、同一の入射角度に対して収差の発生方向が逆である。
【００６２】
上記の実施例では、６５９ｎｍのレーザー光をＤＶＤに集光させる際の光NA専用領域Ｒｈ内の外周部での正弦条件違反量の値ＳＣ1=0.0155mm、７９０ｎｍのレーザー光をＣＤに集光させる際の共用領域Ｒｃ内の外周部での正弦条件違反量の値ＳＣ2=-0.0197mmとなる。したがって、ＳＣ1／ＳＣ2＝ 0.0155 ／-0.0197 ＝ -0.787となり、条件式(１)を満たしている。
【００６３】
上述した実施例の対物レンズ１６を利用し、第１の半導体レーザー１４ａから発した光束が基準軸に対して約０．５度の角度で対物レンズに入射するときにＤＶＤに対してコマ収差が最小となるようにするためには、基準軸１０'に対して対物レンズ１６の第２面１６ｂの回転軸１６'を０．０２８度傾ける。傾き方向は、第１の半導体レーザーから発したレーザー光の第２面１６ｂに対する入射角度が、第２の半導体レーザーから発したレーザー光の第２面１６ｂに対する入射角度より小さくなる方向である。このような配置によると、ＤＶＤ，ＣＤいずれの使用時にも、斜め入射により発生するコマ収差を、回転軸の傾きにより発生するコマ収差によりキャンセルすることができる。
【００６４】
図１９は、第２面の回転軸１６'を基準軸に対して０．０２８度傾けた状態において、ＤＶＤ使用時に第１の半導体レーザー１４ａから発した光束の対物レンズの第１面に対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。光束の傾き角度０．５度で波面収差が最小値をとり、約±０．３度の範囲で波面収差許容レベルである０．０２０λ以下の性能を得ることができる。また、図２０は、同様に第２面を傾けた状態において、ＣＤ使用時に第２の半導体レーザー１４ｂから発してた光束の対物レンズの第１面に対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフである。傾き角度−０．４度で波面収差が最小値をとり、約±０．６度の範囲で波面収差許容レベルである０．０２０λ以下の性能を得ることができる。
【００６５】
なお、回転軸の実際の傾き角度は上記のように非常に小さいため、レンズを肉眼で見た場合にはその傾きの方向を判断することが極めて困難である。そこで、図２１に示すように、レンズの外周部にインクでマークＭを形成する。あるいは、射出成形による場合にはゲートの方向を傾きの方向に合わせ、ゲートカットをマークとして用いてもよい。
【００６６】
また、上記の実施形態では、対物レンズの第２面を傾ける例についてのみ説明したが、図２２(ａ)に示すように、対物レンズ９１の第１面９１ａの回転軸９１'を傾けてもよい。この場合には、第１の半導体レーザー１４ａから発したレーザー光の第１面９１ａに対する入射角度が、第２の半導体レーザー１４ｂから発したレーザー光の第２面１６ｂに対する入射角度より大きくなる方向に傾ける。さらに、図２２(ｂ)に示すように、対物レンズ９２の第２面９２ｂの回転軸９２'を基準軸１０'に対して平行にシフトさせてもよいし、図示は省略するが、第１面９２ａを同様にシフトさせてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２つの半導体レーザーから発したレーザー光が基準軸に対して角度を持って対物レンズに入射することにより発生するコマ収差を、対物レンズの第１面の回転軸と第２面の回転軸とを相対的に偏心させることによりキャンセルすることができるため、２つの半導体レーザーを１つのパッケージに組み込んだモジュールを使用する場合にも、使用波長や保護層の厚さが異なる複数の光ディスクに対して収差の発生を抑えて良好なビームスポットを光ディスク上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態にかかる光ディスク装置を示す説明図。
【図２】 図１の光ディスク装置に用いられるレンズアクチュエータの平面図および側面断面図。
【図３】 図１の光ディスク装置で用いられている複合光学部品の偏光性回折格子を示す平面図。
【図４】 図１の光ディスク装置で用いられているレーザーモジュールを示す平面図および側面図。
【図５】 図４に示すレーザーモジュールの拡大平面図。
【図６】 図１の光ディスク装置の制御系のブロック図。
【図７】 本発明の原理を説明するための光ディスクと対物レンズの説明図。
【図８】 本発明の対物レンズのコマ収差特性を示すグラフ。
【図９】 実施形態の対物レンズの回折レンズ構造を示す説明図であり、(A)は正面図、(B)は側面から見た断面図。
【図１０】 実施形態の対物レンズのレンズ面の傾きを示す説明図である。
【図１１】 回転軸が一致する仮想状態における実施例の対物レンズとＤＶＤとを示すレンズ図。
【図１２】 図１１の状態における諸収差を示すグラフ。
【図１３】 図１１の状態において光束が対物レンズに対して所定の入射角度を持つ場合の波面収差を示すグラフ。
【図１４】 図１１の状態における光束の対物レンズに対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフ。
【図１５】 回転軸が一致する仮想状態における実施例の対物レンズとＣＤとを示すレンズ図。
【図１６】 図１５の状態における諸収差を示すグラフ。
【図１７】 図１５の状態において光束が対物レンズに対して所定の入射角度を持つ場合の波面収差を示すグラフ。
【図１８】 図１５の状態における光束の対物レンズに対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフ。
【図１９】 対物レンズの第２面を傾けてＤＶＤを使用した場合の対物レンズに対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフ。
【図２０】 対物レンズの第２面を傾けてＣＤを使用した場合の対物レンズに対する入射角度と、波面収差(rms値)との関係を示すグラフ。
【図２１】 マークが付された対物レンズの説明図。
【図２２】 第１面を傾けた対物レンズ、および第２面をシフトさせた対物レンズの説明図。
【符号の説明】
１ 光ディスク装置
２ 光ディスク
３ モータ
９ レーザモジュール
１０ コリメートレンズ
１１ 立ち上げミラー
１４ａ 第１の半導体レーザー
１４ｂ 第２の半導体レーザー
１５ 複合素子
１６ 対物レンズ
１６ａ 第１面
１６ｂ 第２面
１６' 第２面の回転軸

Claims (8)

  1. 短波長のレーザー光を保護層の厚さが薄く記録密度が高い第１の光ディスクに集光させ、長波長のレーザー光を保護層の厚さが厚く記録密度が低い第２の光ディスクに集光させる１枚構成の対物レンズにおいて、
    前記レーザー光の発光点側の第１面と、光ディスク側の第２面とがそれぞれの回転軸回りに回転対称なレンズ面であり、前記第１面の回転軸と前記第２面の回転軸とを相対的に偏心させることにより、前記第１面と第２面の回転軸が一致する仮想状態における光軸に対して垂直な方向に離れた第１の発光点からの前記短波長のレーザー光を前記第１の光ディスクに集光させる際のコマ収差を打ち消すと共に、前記光軸に対して垂直に前記第１の発光点とは異なる方向に離れた第２の発光点からの前記長短波長のレーザー光を前記第２の光ディスクに集光させる際のコマ収差を打ち消し、
    入射側の屈折率をｎ、射出側の屈折率をｎ'、射出光の光軸となす角をＵ'、近軸倍率をｍ、主平面上の入射高さをＨ1、焦点距離をｆとして正弦条件違反量ＳＣの値を以下の式、
    ＳＣ＝ｎＨ1／(ｎ'sinＵ')−ｆ(１−ｍ)
    で定義し、前記第２の光ディスクに必要十分なＮＡに相当する光が透過する領域を共用領域と定義したとき、前記仮想状態において、前記短波長のレーザー光を前記第１の光ディスクに集光させる際のレンズ外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ1、前記長波長のレーザー光を前記第２の光ディスクに集光させる際の前記共用領域内の外周部での正弦条件違反量ＳＣの値をＳＣ2として、以下の条件(１)、
    −４．０ ＜ＳＣ1／ＳＣ2＜ −０．２５ …(１)
    を満たすことを特徴とする対物レンズ。
  2. 前記第１面の回転軸と、前記第２面の回転軸とが相対的に傾いていることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
  3. 前記第１面の回転軸と、前記第２面の回転軸とが相対的に平行にシフトしていることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
  4. 前記第１面および第２面の回転軸の偏心の方向を示すマークがレンズの周辺部に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の対物レンズ。
  5. 短波長のレーザー光を発光する第１の半導体レーザーと、長波長のレーザー光を発する第２の半導体レーザーと、短波長のレーザー光を保護層の薄い第１の光ディスクの記録面上に集光させ、長波長のレーザー光を保護層の厚い第２の光ディスクの記録面上に集光させる対物レンズとを備える光ヘッドにおいて、
    前記半導体レーザー側となる前記対物レンズの第１面と前記光ディスク側となる前記対物レンズの第２面とをそれぞれの回転軸回りに回転対称なレンズ面とし、前記第１面の回転軸と前記第２面の回転軸とを相対的に偏心させ、短波長のレーザー光を前記第１の光ディスクの記録面上に集光させる際にコマ収差が最小となる第１の位置に前記第１の半導体レーザーの発光点を配置し、長波長のレーザー光を前記第２の光ディスクの記録面上に集光させる際にコマ収差が最小となる前記第１の位置とは異なる第２の位置に前記第２の半導体レーザーの発光点を配置したことを特徴とする光ヘッド。
  6. 前記対物レンズの第１面と第２面の回転軸が互いに一致する仮想状態における前記対物レンズの光軸を基準軸、該基準軸と前記第１、第２の半導体レーザーの発光点とを含む平面を基準平面と定義したときに、相対的に偏心した前記第１面の回転軸と前記第２面の回転軸とがいずれも前記基準平面内に含まれ、前記第１、第２の半導体レーザーの発光点が、前記基準軸を境として互いに異なる側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光ヘッド。
  7. 前記第１面の回転軸と前記第２面の回転軸とを相対的に傾けることにより、前記対物レンズの厚さが薄くなる側に前記第1のレーザー光が集光し、厚くなる側に前記第２のレーザー光が集光するように、前記第１，第２の半導体レーザーの発光点が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光ヘッド。
  8. 前記対物レンズは、前記第１面と第２面の回転軸が一致する仮想状態において、前記第１の光ディスクの保護層と前記第２の光ディスクの保護層との中間の厚さの保護層を持つ仮想ディスクに対してコマ収差が最小となるよう設定されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の光ヘッド。
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