JP4375108B2

JP4375108B2 - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP4375108B2
Application number: JP2004139810A
Authority: JP
Inventors: 裕明下薗
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-10
Also published as: JP2005322329A

Description

本発明は、光ディスクに情報を書き込むまたは光ディスクから情報を読み出す（以下、光ディスクに情報を書き込むまたは光ディスクから情報を読み出すことを、「光ディスクの記録・再生」という。）ための対物レンズおよび光ヘッド装置に関し、特に、少なくても２つの異なる使用波長の光束を用いて光ディスクの記録・再生を行うための対物レンズおよび光ヘッド装置に関する。

従来、ＣＤ、ＤＶＤ等で知られる光ディスクは、音楽情報、映像情報等の保存、または、コンピュータから出力されるデータの記録等に広く使われている。そして、近年の高度情報化の進展にともない、光ディスクの大容量化、高密度化の要求が益々強まっている。

光ディスクへの記録の高密度化を達成するためには、対物レンズを介して集光される光線のスポットの径（以下、スポット径という。）を小さくする必要がある。一般に、このスポット径は、使用する光束の波長（以下、使用波長という。）に比例し、光学系の開口数（ＮＡ）に反比例することが知られており、上記の高密度化のためには、使用波長を短くするか、光学系の開口数を大きくすればよい。

ＣＤからＤＶＤへの高密度化は、使用波長を、約７８０ｎｍから約６５０ｎｍに短くすると共に、光学系の開口数を、０．４５から０．６０または０．６５に増大することで実現されている。そして、今後の更なる高密度化のために、光源として４４０ｎｍより短い波長の光束を用いた光ヘッド装置が検討されている。

これらの光ヘッド装置には、従来の光ディスクの記録・再生ができることが求められる。上記の要請、すなわち、複数の使用波長の光束を用いて光ディスクの記録・再生を行うという要請に応えるべく、２つの使用波長のうちの一方の使用波長の光束に対して収差の最小化がなされた対物レンズ以外に、残りの使用波長の光束に対して位相補正を行い収差等を補正する位相補正素子等の別素子（以下、収差補正素子という。）を設けるという方法がとられていた（特許文献１参照）。
特開２００３−１７７２２６号公報

しかし、このような従来の光ディスクの記録・再生を行うための技術では、上記の対物レンズと収差補正素子との間で生じる偏心により新たに収差が発生するという問題があった。これを回避すべく対物レンズと収差補正素子との偏心調整を行って一体保持したとしても、一体保持されたことによりトラッキングサーボまたはフォーカスサーボの対象となる素子の重量が増し、上記のサーボへの負荷が増大し問題となる。これは、光ディスクの記録・再生のために、１つの使用波長に対して、対物レンズの光学特性を最適化して光軸外の収差までも最小化するという設計思想によるものである。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、１つの使用波長に対して、光軸外の収差までも最小化するように対物レンズの光学特性を最適化することを要せずに、１つまたは２つの使用波長を用いて光ディスクの記録・再生を可能とする対物レンズおよび光ヘッド装置を提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、波長が３９０ｎｍから４３０ｎｍの第１の使用波長λ _１の光束を用いて第１の光ディスクに対して記録・再生が可能であり、波長が６３０ｎｍから６８０ｎｍの第２の使用波長λ _２の光束を用いて第２の光ディスクに対して記録・再生が可能な光ヘッド装置であって、前記第１の使用波長λ _１の光束を出射する第１の光源と、前記第２の使用波長λ _２の光束を出射する第２の光源と、前記光源から出射された光束を前記使用波長に応じて予め決められた前記光ディスクに集光させる対物レンズと、前記光ディスクから反射された光束を受光する受光素子と、を備え、前記対物レンズは、その光軸と交わる２つの面が、前記第１の使用波長λ_１の光束を用いて前記第１の光ディスクに対する記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における３次の軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５λ _１以上となるとともに前記光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３λ _１以下となり、かつ、前記第２の使用波長λ _２の光束を用いて前記第２の光ディスクに対する記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における３次の軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５λ _２以上となるとともに前記光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３λ _２以下となる非球面の形状を有する構成を有している。

この構成により、対物レンズの光軸と交わる２つの面の形状を、光ディスクの記録・再生を行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５波長以上となるようにしたため、対物レンズの設計の自由度を向上できると共に、１つの使用波長に対して、光軸外の収差までも最小化するように対物レンズの光学特性を最適化することを要せずに光ディスクの記録・再生を可能とする光ヘッド装置を実現できる。
また、第１の使用波長および第２の使用波長に対して対物レンズの光軸と交わる２つの面の形状を、光ディスクの記録・再生を行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５波長以上となるようにしたため、１つの使用波長に対して、光軸外の収差までも最小化するように対物レンズの光学特性を最適化することを要せずに、２つの使用波長を用いて光ディスクの記録・再生を可能とする光ヘッド装置を実現できる。
また、対物レンズは、その光軸と交わる２つの面が、第１の使用波長の光束を用いて第１の種類の光ディスクの記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３波長以下となる非球面の形状を有しているため、第１の使用波長に対して光ディスクの記録・再生を行う光軸での収差の最適化を図ることができる光ヘッド装置を実現できる。
また、対物レンズは、その光軸と交わる２つの面が、第２の使用波長の光束を用いて第２の種類の光ディスクの記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３波長以下となる非球面の形状を有しているため、第２の使用波長に対して光ディスクの記録・再生を行う光軸での収差の最適化を図ることができる光ヘッド装置を実現できる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記第１の使用波長λ _１が４０５ｎｍであり、前記第２の使用波長λ _２が６６０ｎｍである構成を有していてもよい。

本発明は、対物レンズの光軸と交わる２つの面の形状を、光ディスクの記録・再生を行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５波長以上となるようにしたため、対物レンズの設計の自由度を向上できると共に、１つの使用波長に対して、光軸外の収差までも最小化するように対物レンズの光学特性を最適化することを要せずに光ディスクの記録・再生を可能とする対物レンズおよび光ヘッド装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る光ヘッド装置の概念的な構成を示す図である。図１において、光ヘッド装置１００は、使用波長λ_１の光束を発する第１の光源１、使用波長λ_２の光束を発する第２の光源２、第１のビームスプリッタ３、第２のビームスプリッタ４、コリメータ５、反射板６、対物レンズ７、および、受光素子１０を備える。

第１の光源１によって発せられた光束は、第１のビームスプリッタ３、第２のビームスプリッタ４およびコリメータ５を順に透過し、反射板６で反射し、対物レンズ７を透過して第１の光ディスク８の情報記録面に集光する。同様に、第２の光源２によって発せられた光束は、第２の光ディスク９の情報記録面に集光させられる。第１の光ディスク８または第２の光ディスク９の情報記録面に集光させられた光束は、それぞれ、各情報記録面で反射され、対物レンズ７を透過し、反射板６で反射され、コリメータ５を透過し、第２のビームスプリッタ４で反射されて受光素子１０に入る。

受光素子１０からの出力信号を用いて、第１の光ディスク８の情報記録面、または、第２の光ディスク９の情報記録面に記録された情報の読み取り信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号が得られるようになっている。なお、光ヘッド装置１００には、上記フォーカスエラー信号に基づいて、レンズを光軸方向に移動する機構（フォーカスサーボ）、及び上記トラッキングエラー信号に基づいて、レンズを光軸にほぼ垂直の方向に移動する機構（トラッキングサーボ）が含まれるが、図１に示す構成では省略されている。

第１の光源１は、例えば、半導体レーザで構成され、４０５ｎｍ近傍の波長で発散光束を直線偏光で出射するようになっている。同様に、第２の光源２は、例えば、半導体レーザで構成され、６５５ｎｍ近傍の波長で発散光束を直線偏光で出射するようになっている。ここで、第１の光源１からの光束の偏光方向と、第２の光源２からの光束の偏光方向とは、互いに直交するように第１の光源１と第２の光源２とが配置されている。

第１のビームスプリッタ３は、第１の光源１からの光束を透過させ、第２の光源２からの光束を反射させ、それぞれを同一の光軸上に導く役割を持つ。第２のビームスプリッタ４は、第１の光源１および第２の光源２からの光束を透過させると共に、第１の光ディスク８の情報記録面および第２の光ディスク９の情報記録面からの反射光束を反射させ、受光素子１０に導く役割を有する。

コリメータ５は、第１の光源１および第２の光源２からの光束をほぼ平行光に変換する役割を持つ。なお、対物レンズ７の詳細については、後述する。受光素子１０は、光ディスク８、９の情報記録面からの反射光を受光し、受光した反射光に基づき、光ディスク８、９の情報記録面に記録された情報に応じた、読み取り信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号の各信号を生成し、外部に出力するようになっている。

図２は、本発明の実施の形態に係る光ヘッド装置１００を構成する対物レンズ７の断面構造を示す断面図である。図２において、対物レンズ７は、レンズの両面が非球面の形状となっており、第１の光源からの光束の波長（以下、第１の使用波長といい、４０５ｎｍとする。）、および、第２の光源からの光束の波長（以下、第２の使用波長といい、６６０ｎｍとする。）の両方に対して、軸外コマ収差が発生するように設計されている。以下に説明するように、軸外コマ収差を発生させることで、第１の使用波長および第２の使用波長の両方に対して軸上での波面収差を良好に補正できる。

以下、対物レンズ７について具体的な実施例を用いて説明する。

第１の使用波長の光束用の光源として、波長４０５ｎｍのレーザ光源を、第２の使用波長の光束用の光源として、波長６６０ｎｍのレーザ光源を用いる。ここで、第１の光ディスク８の透明基板を厚さ０．６ｍｍのポリカーボネート、第２の光ディスク９の透明基板の厚さを０．６ｍｍのポリカーボネートとし、対物レンズの形状の決定を行った。なお、開口数は第１の使用波長、第２の使用波長共に０．６５とした。

表１は、対物レンズ７の焦点距離ｆと、対物レンズ７のレンズ材料の屈折率ｎを示す表である。ここで、λは使用波長の中心波長（第１の使用波長４０５ｎｍ、第２の使用波長６６０ｎｍ）であり、焦点距離ｆは、第１の使用波長および第２の使用波長に対して、それぞれ、３．００ｍｍ、３．０９ｍｍであり、屈折率ｎは、第１の使用波長および第２の使用波長に対して、それぞれ、１．５２０８、１．５０５７である。また、レンズ中心厚は１．８７ｍｍである。

コリメータ５の非球面形状は、以下の式（１）基づいて決定されるものとした。

ここで、記号ｉは非球面次数であり、２、４、６、８、１０のいずれかをとる。また、記号ｊは面番号であり、光源側の面（図２に示す符号７１の面）を面番号１、光ディスク側の面（図２に示す符号７２の面）を面番号２とした。さらに、記号ｈは光軸７３からの距離（以下、高さという。）であり、記号ｚ_ｊは第ｊ面非球面の頂点の接平面（一般に、光軸近傍で非球面に接し、光軸に垂直な面。）からその非球面上の高さｈの点までの光軸方向の距離であり、ｒ_ｊ、ｋ_ｊ、ａ_ｉ，ｊ、およびｊは第ｊ面の決定に係る各係数である。

表２に上記の式（１）で用いる各係数の値を示す。

表２において、「Ｅ−ｐ（ｐは整数）」は、「×１０^−ｐ」を意味する。

次に、この対物レンズの軸外特性について説明する。図３は、対物レンズ７の第１の使用波長（４０５ｎｍ）に対する軸外特性を示すグラフである。図３に示すグラフの横軸は、光軸からの距離を示す像高（ｍｍ単位）であり、縦軸は、波面収差を波長λ単位かつＲＭＳ値で表したものである。図３において、実線はすべての種類の収差を含む波面収差（以下トータル波面収差と称する）を示し、破線は３次のコマ収差を示す。以下、特に断る場合を除き、図４〜図６についても同様とする。図３に示す横軸（像高）が０ｍｍのところでは、トータル波面収差の値は、ＲＭＳ値で０．００８λであり、記録・再生を行うのに充分小さい収差となっている。

第２の使用波長（６６０ｎｍ）に対する軸上の収差値を低減させるため、像高０．０５ｍｍにおける３次のコマ収差の値を、ＲＭＳ値で０．９０７λとした。

図４は、対物レンズ７の第２の使用波長（６６０ｎｍ）に対する軸外特性を示すグラフである。図４に示す横軸（像高）が０ｍｍのところでは、トータル波面収差の値は、ＲＭＳ値で０．０１３λであり、記録・再生を行うのに充分小さい収差となっている。また、例えば、像高０．０５ｍｍの軸外におけるトータル波面収差は、そのほとんどが３次のコマ収差であり、その値はＲＭＳ値で０．６６０λであった。

表１に示すパラメータと、上記の式（１）に示す数式および表２で特定される形状とによって特定される上記の対物レンズ（以下、実施例対物レンズという。）との比較のために、この対物レンズと同一の開口数および同一の焦点距離を有し、第１の使用波長（４０５ｎｍ）に対して軸外コマ収差がほぼ０となるような対物レンズ（以下、比較対物レンズという。）を設計し、第２の使用波長（６６０ｎｍ）での収差を算出した。表３に比較のために設計した比較対物レンズの非球面形状を表す各係数を示す。

図５は、比較対物レンズの第１の使用波長（４０５ｎｍ）に対する軸外特性を示すグラフである。図５に示す横軸（像高）が０ｍｍのところでは、トータル波面収差の値は、ＲＭＳ値で０．０００９λであり、記録・再生を行うのに充分小さい収差となっている。また、像高０．０５ｍｍにおける３次コマ収差は、ＲＭＳ値で０．０００３λであり、上記の実施例より小さな値である。

図６は、比較対物レンズの第２の使用波長（６６０ｎｍ）に対する軸外特性を示すグラフである。第１の使用波長（４０５ｎｍ）で、軸外のコマ収差が小さくなるよう設計した比較対物レンズでは、第１の使用波長と異なる第２の使用波長での軸上の収差のＲＭＳ値が大きくなり、第２の使用波長の光束を用いた記録・再生は困難となることが示された。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る対物レンズおよび光ヘッド装置は、対物レンズの光軸と交わる２つの面の形状を、光ディスクの記録・再生を行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５波長以上となるようにしたため、対物レンズの設計の自由度を向上できると共に、１つの使用波長に対して、光軸外の収差までも最小化するように対物レンズの光学特性を最適化することを要せずに光ディスクの記録・再生を行うことができる。

また、第１の使用波長および第２の使用波長に対して対物レンズの光軸と交わる２つの面の形状を、光ディスクの記録・再生を行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５波長以上となるようにしたため、１つの使用波長に対して、光軸外の収差までも最小化するように対物レンズの光学特性を最適化することを要せずに、２つの使用波長を用いて光ディスクの記録・再生を行うことができる。

また、対物レンズの光軸と交わる２つの面が、第１の使用波長の光束を用いて第１の種類の光ディスクの記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３波長以下となる非球面の形状を有しているため、第１の使用波長に対して光ディスクの記録・再生を行う光軸での収差の最適化を図ることができる。

さらに、対物レンズの光軸と交わる２つの面が、第１および第２の使用波長の光束を用いて第１の種類の光ディスクの記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３波長以下となる非球面の形状を有しているため、２つの使用波長に対して光ディスクの記録・再生を行う光軸での収差の最適化を図ることができる。

なお、上記では、光源として波長４０５ｎｍの光源を用いた例について説明したが、本発明は、この波長に限られるものではなく、３９０ｎｍから４３０ｎｍ程度の波長の光源を用いるのでも、上記と同様の効果が得られる。

また、ＤＶＤ用光学系との互換を考慮し、第２の使用波長を６６０ｎｍとした例について説明したが、６６０ｎｍの代わりに６３０ｎｍから６８０ｎｍまでの間のいずれかの波長を持つ光源でもよい。さらに、ＣＤ用光学系との互換を考慮し、波長７６０ｎｍから８２０ｎｍまでの間のいずれかの波長を持つ光源でもよい。

また、対物レンズ７は、波長４０５ｎｍと波長６６５ｎｍの両方の波長用のレンズとして説明したが、波長４０５ｎｍだけの光束を用いて記録・再生を行うためのレンズとするのでもよい。また、コリメータ５を用いる、いわゆる無限系の光学系をなす、構成で使用する例について説明したが、本発明は、必ずしも無限系での適用に限られるものではなく、コリメータ５を用いない、いわゆる有限系の光学系をなす、構成とするのでもよい。

また、波長４０５ｎｍの光束を用いて記録・再生を行う光ディスクの保護層の厚さを０．６ｍｍとしたが、これに限られるものではない。また、対物レンズの材料として合成樹脂を用いる場合について説明したが、本発明は、合成樹脂に限定されず、ガラスを用いるのでもよい。特に、本発明の対物レンズは、位相シフタ、回折格子等の機能を保持する必要がなく、対物レンズの形状を上記のように滑らかな形状とできるため、ガラスをプレス成形するだけで容易に形成でき、ガラスレンズにも適する。

本発明に係る対物レンズおよび光ヘッド装置は、１つの使用波長に対して、光軸外の収差までも最小化するように対物レンズの光学特性を最適化することを要せずに、１つまたは２つの使用波長を用いて光ディスクの記録・再生が可能であるという効果が有用な対物レンズおよび光ヘッド装置等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係る光ヘッド装置の概念的な構成を示す図本発明の実施の形態に係る光ヘッド装置を構成する対物レンズ７の断面構造を示す断面図対物レンズの第１の使用波長に対する軸外特性を示すグラフ対物レンズの第２の使用波長に対する軸外特性を示すグラフ比較対物レンズの第１の使用波長に対する軸外特性を示すグラフ比較対物レンズの第２の使用波長に対する軸外特性を示すグラフ

符号の説明

１、２光源
３、４ビームスプリッタ
５コリメータ
６反射板
７対物レンズ
７１光源側の面
７２光ディスク側の面
７３光軸
８、９光ディスク
１０受光素子
１００光ヘッド装置

Claims

波長が３９０ｎｍから４３０ｎｍの第１の使用波長λ _１の光束を用いて第１の光ディスクに対して記録・再生が可能であり、波長が６３０ｎｍから６８０ｎｍの第２の使用波長λ _２の光束を用いて第２の光ディスクに対して記録・再生が可能な光ヘッド装置であって、
前記第１の使用波長λ _１の光束を出射する第１の光源と、
前記第２の使用波長λ _２の光束を出射する第２の光源と、
前記光源から出射された光束を前記使用波長に応じて予め決められた前記光ディスクに集光させる対物レンズと、
前記光ディスクから反射された光束を受光する受光素子と、を備え、
前記対物レンズは、その光軸と交わる２つの面が、前記第１の使用波長λ_１の光束を用いて前記第１の光ディスクに対する記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における３次の軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５λ _１以上となるとともに前記光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３λ _１以下となり、かつ、前記第２の使用波長λ _２の光束を用いて前記第２の光ディスクに対する記録・再生を開口数０．６以上で行う場合に、像高０．０５ｍｍの位置における３次の軸外コマ収差がＲＭＳ値で０．５λ _２以上となるとともに前記光軸上の波面収差がＲＭＳ値で０．０３λ _２以下となる非球面の形状を有することを特徴とする光ヘッド装置。
前記第１の使用波長λ _１は４０５ｎｍであり、前記第２の使用波長λ _２は６６０ｎｍである請求項１に記載の光ヘッド装置。