JP4529176B2 - 光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ピックアップ装置に関し、特に波長の異なる光源を用いて異なる光情報記録媒体に対して適切に情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置に関する。

近年、波長４００ｎｍ程度の青紫色半導体レーザを用いて、情報の記録／再生を行える高密度光ディスクシステムの研究・開発が急速に進んでいる。一例として、ＮＡ０．８５、光源波長４０５ｎｍの仕様で情報記録／再生を行う光ディスク、いわゆるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（以下、ＢＤという）では、ＤＶＤ（ＮＡ０．６、光源波長６５０ｎｍ、記憶容量４、７ＧＢ）と同じ大きさである直径１２ｃｍの光ディスクに対して、１面あたり２０〜３０ＧＢの情報の記録が可能であり、又、ＮＡ０．６５、光源波長４０５ｎｍの仕様で情報記録／再生を行う光ディスク、いわゆるＨＤ ＤＶＤ（以下、ＨＤという）では、直径１２ｃｍの光ディスクに対して、１面あたり１５〜２０ＧＢの情報の記録が可能である。以下、本明細書では、このような光ディスクを「高密度光ディスク」と呼ぶ。

ところで、このような高密度光ディスクの一方のみに対して適切に情報を記録／再生できるというだけでは、光ピックアップ装置の製品としての価値は十分なものとはいえない。近い将来、大量のＢＤ、ＨＤが混在して販売されることが予測され、これをふまえると、一方の高密度光ディスクに対して適切に情報を記録／再生できるだけでは足らず、例えばユーザーが既に所有している他方の高密度光ディスクに対しても同様に適切に情報を記録／再生できるようにすることが、互換タイプの光ピックアップ装置として製品の価値を高めることに通じるのである。ここで、ＢＤの保護基板厚ｔ１は０．１ｍｍ、開口数は０．８５であり、ＨＤの保護基板厚ｔ２は０．６ｍｍ、開口数は０．６５であるから、同一の集光光学系を用いて、それぞれの高密度光ディスクに適切な集光スポットを形成することは困難であるといえる。しかしながら、ＢＤとＨＤとに仕様を合わせた集光光学系を別個に設けると、コスト増を招くという問題がある。

これに対し、特許文献１には、偏光方向に対して異なる次数の回折光を発生させる回折格子と、偏光手段とを用いることにより、１つの波長を用いて、開口数の異なるＤＶＤとＤＶＲに対して情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置が開示されている。
特開２００４−５１６５９４号公報

しかるに、特許文献１の光ピックアップ装置においては、回折格子を、収束光が通過する対物レンズの光学面に取り付けている。回折格子は、階段型もしくはブレーズ型の輪帯構造を有するが、収束光を通過させると、輪帯構造の側面で光線を遮るケラレなどが生じ、スポット光の光量低下を招くという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、同一波長の光束を用いて異なる光情報記録媒体に対して、適切に情報の記録及び／又は再生が可能である光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光ピックアップ装置は、波長λ１の光束を出射する光源と、対物光学素子を含む集光光学系と、光検出器とを有し、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ１の保護層を介して第１光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっており、又、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ２（≠ｔ１）の保護層を介して第２光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっている光ピックアップ装置であって、
前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡは、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡより大きく、
前記集光光学系は、透過光の偏光方向を切り替える切り替え手段を、前記光源と前記対物光学素子との間に有しており、
前記対物光学素子が、平行光束が入射する第１対物光学素子と、前記第１対物光学素子よりも光情報記録媒体側に配置された正の屈折力を有する第２対物光学素子とを有し、
前記第１対物光学素子は、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（ｎ_o≠ｎ_e）で屈折率楕円体の光軸が１方向に揃った複屈折媒質からなり、常光偏光もしくは異常光偏光の入射光の透過波面は変化させず、異常光偏光もしくは常光偏光の入射光の透過波面は変化させる機能を有する位相構造を、前記第２光情報記録媒体使用時における前記対物光学素子のＮＡ内の領域のみに形成し、且つ前記ＮＡの外側の領域に位相構造を形成していないことを特徴とする。

例えば、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、前記切り替え手段を用いて透過光の偏光方向を切り替えることで、前記常光偏光（又は異常光偏光）を前記対物光学素子に入射させる。このとき、前記位相構造を通過した常光偏光（又は異常光偏光）において、透過波面が変化しないため収束角（或いは発散角）が変化せず、前記対物光学素子を通過した光束は、保護基板厚ｔ１の前記第１光情報記録媒体の情報記録面に適切なスポット光を集光させることができる。一方、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、前記切り替え手段を用いて透過光の偏光方向を切り替えることで、前記異常光偏光（又は常光偏光）を前記対物光学素子に入射させる。このとき、前記位相構造を通過した異常光偏光（又は常光偏光）において、透過波面が変化するため収束角（或いは発散角）が変化し、前記対物光学素子を通過した光束は、保護基板厚ｔ２（≠ｔ１）の前記第２光情報記録媒体の情報記録面に適切なスポット光を集光させることができる。

尚、前記第１光情報記録媒体の開口数ＮＡ１が、前記第２光情報記録媒体の開口数ＮＡ２より大きい場合、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際に、前記切り替え手段を用いて透過光の偏光方向を切り替えることで、前記異常光偏光（又は常光偏光）を前記位相構造を通過させれば、開口数ＮＡ２に相当する光軸からの高さより半径方向外方を通過する光束については、スポットに寄与しないフレア光とすることができ、それにより開口絞りの効果を持たせることもできる。

尚、位相構造とは、回折構造又は位相差付与構造を含み、回折構造とは、透過する光束に応じて所定次数の回折光を発生させる構造をいい、位相差付与構造とは、透過する光束に応じて所定の位相差を発生させる構造をいう。本明細書中で、「平行光束」というときは、マージナル光線（最外光線）と光軸とのなす角度が±１０度の範囲の発散光束もしくは収束光束も含むものとする。

請求項２に記載の光ピックアップ装置は、請求項１に記載の発明において、前記切り替え手段は、液晶により透過光の偏光方向を９０±５度切り替えることを特徴とする。このような切り替え手段は、例えば特開平１０−２６８２４９号公報に開示されている。

請求項３に記載の光ピックアップ装置は、請求項１に記載の発明において、前記切り替え手段は、λ／２波長板と、前記λ／２波長板を光軸周りに４５±５度回転させる機構とを有することを特徴とする。

請求項４に記載の光ピックアップ装置は、波長λ１の光束を出射する光源と、対物光学素子を含む集光光学系と、光検出器とを有し、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ１の保護層を介して第１光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっており、又、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ２（≠ｔ１）の保護層を介して第２光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっている光ピックアップ装置であって、
前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡは、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡより大きく、
前記対物光学素子が、平行光束が入射する第１対物光学素子と、前記第１対物光学素子よりも光情報記録媒体側に配置された正の屈折力を有する第２対物光学素子とを有し、
前記第１対物光学素子は、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（ｎ_o≠ｎ_e）で屈折率楕円体の光軸が１方向に揃った複屈折媒質からなり、常光偏光もしくは異常光偏光の入射光の透過波面は変化させず、異常光偏光もしくは常光偏光の入射光の透過波面は変化させる機能を有する位相構造を、前記第２光情報記録媒体使用時における前記対物光学素子のＮＡ内の領域のみに形成し、且つ前記ＮＡの外側の領域に位相構造を形成しておらず、
前記光源は、前記位相構造に対して前記波長λ１の常光偏光を出射できる第１光源と、前記位相構造に対して前記波長λ１の異常光偏光を出射できる第２光源とを有していることを特徴とする。

例えば、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、前記第１光源から前記波長λ１の常光偏光（又は異常光偏光）を出射させ、前記対物光学素子に入射させる。このとき、前記位相構造を通過した常光偏光（又は異常光偏光）において、透過波面が変化しないため収束角（或いは発散角）が変化せず、前記対物光学素子を通過した光束は、保護基板厚ｔ１の前記第１光情報記録媒体の情報記録面に適切なスポット光を集光させることができる。一方、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、前記第２光源から前記波長λ１の異常光偏光（又は常光偏光）を出射させ、前記対物光学素子に入射させる。このとき、前記位相構造を通過した異常光偏光（又は常光偏光）において、透過波面が変化するため収束角（或いは発散角）が変化し、前記対物光学素子を通過した光束は、保護基板厚ｔ２（≠ｔ１）の前記第２光情報記録媒体の情報記録面に適切なスポット光を集光させることができる。

請求項５に記載の光ピックアップ装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記位相構造は、断面が鋸歯状の凹凸部からなり、前記凹凸部が前記屈折率ｎ_oもしくはｎ_eとほぼ等しい屈折率ｎ_sの屈折率の媒質で充填されていることを特徴とする。

図１、２は、位相構造を備えた対物光学素子ＯＢＪ１の断面図であるが、段差は誇張して描いている。別の正レンズと組み合わせて対物光学素子としての機能を発揮する対物光学素子ＯＢＪ１は、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（ｎ_o≠ｎ_e）の複屈折媒質層ＬＹ１を備え、複屈折媒質層ＬＹ１が光学結晶のときは主光学軸が、高分子材料のときは分子配向軸が、一方向に揃っており、複屈折媒質層ＬＹ１には断面形状が鋸歯状であり、かつ入射光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の凹凸部からなる位相構造ＰＳが形成され、その凹凸部の少なくとも凹部に常光屈折率ｎ_oもしくはｎ_eとほぼ等しい屈折率ｎ_sの均質屈折率透明材料ＬＹ２が充填されており、全体として平行平板となっている。

ここで、第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、後述する切り替え手段を用いて、前記光源からの波長λ１の光束を常光偏光とする。対物光学素子ＯＢＪ１に波長λ１の常光偏光が入射した場合には、複屈折媒質層ＬＹ１と均質屈折率透明材料ＬＹ２の屈折率がほぼ同じになるので、図２（ｂ）に示すように対物光学素子ＯＢＪ１の透過波面は変化することなく、対物光学素子本来の光学特性を維持する。

一方、第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、切り替え手段を用いて、前記光源からの波長λ１の光束を異常光偏光とする。対物光学素子ＯＢＪ１に波長λ１の異常光偏光が入射した場合、複屈折媒質層ＬＹ１と均質屈折率透明材料ＬＹ２の屈折率が異なるので、波長λ１の異常光偏光は鋸歯状の凹凸部で回折され、それに応じて透過波面が変化し（図２（ａ）参照）、発散角もしくは収束角が変化することとなる。即ち、前記第１光情報記録媒体の保護基板厚ｔ１と、前記第２光情報記録媒体の保護基板厚ｔ２とが異なっており、前記対物光学素子が、本来的に前記第１光情報記録媒体の保護基板厚ｔ１に対して球面収差を抑えた設計である場合でも、波長λ１の異常光偏光が対物光学素子ＯＢＪ１に入射したときに透過波面が異なることを利用して、前記第２光情報記録媒体の保護基板厚ｔ２に対しても球面収差を抑えることができるのである。

請求項６に記載の光ピックアップ装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記位相構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された構造であり、前記パターンが前記屈折率ｎ_oもしくはｎ_eとほぼ等しい屈折率ｎ_sの屈折率の媒質で充填されていることを特徴とする。

図３は、位相構造を備えた対物光学素子ＯＢＪ１の別例の断面図であるが、段差は誇張して描いている。別の正レンズと組み合わせて対物光学素子としての機能を発揮する対物光学素子ＯＢＪ１は、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（ｎ_o≠ｎ_e）の複屈折媒質層ＬＹ１を備え、複屈折媒質層ＬＹ１が光学結晶のときは主光学軸が、高分子材料のときは分子配向軸が、一方向に揃っており、複屈折媒質層ＬＹ１には、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された位相構造ＰＳが形成され、その階段状のパターンに常光屈折率ｎ_oもしくはｎ_eとほぼ等しい屈折率ｎ_sの均質屈折率透明材料ＬＹ２が充填されており、全体として平行平板となっている。

ここで、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、前記切り替え手段を用いて、前記光源からの波長λ１の光束を常光偏光とする。対物光学素子ＯＢＪ１に波長λ１の常光偏光が入射した場合には、複屈折媒質層ＬＹ１と均質屈折率透明材料ＬＹ２の屈折率がほぼ同じになるので、図２（ｂ）に示すように対物光学素子ＯＢＪ１の透過波面は変化することなく、対物光学素子本来の光学特性を維持する。

一方、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う場合には、前記切り替え手段を用いて、前記光源からの波長λ１の光束を異常光偏光とする。対物光学素子ＯＢＪ１に波長λ１の異常光偏光が入射した場合、複屈折媒質層ＬＹ１と均質屈折率透明材料ＬＹ２の屈折率が異なるので、波長λ１の異常光偏光は、それに応じて透過波面が変化し、発散角もしくは収束角が変化することとなる。即ち、前記第１光情報記録媒体の保護基板厚ｔ１と、前記第２光情報記録媒体の保護基板厚ｔ２とが異なっており、前記対物光学素子が、本来的に前記第１光情報記録媒体の保護基板厚ｔ１に対して球面収差を抑えた設計である場合でも、波長λ１の異常光偏光が対物光学素子ＯＢＪ１に入射したときに透過波面が異なることを利用して、前記第２光情報記録媒体の保護基板厚ｔ２に対しても球面収差を抑えることができるのである。

請求項７に記載の光ピックアップ装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記位相構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された構造であり、階段形状の各段の凹部と凸部による波長λ１の常光偏光もしくは異常光偏光の透過光の位相差が２πの整数倍であることを特徴とする。

図４は、位相構造を備えた対物光学素子ＯＢＪ１の別例の断面図であるが、段差は誇張して描いている。別の正レンズと組み合わせて対物光学素子としての機能を発揮する対物光学素子ＯＢＪ１は、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（ｎ_o≠ｎ_e）の複屈折媒質層ＬＹ１を備え、複屈折媒質層ＬＹ１が光学結晶のときは主光学軸が、高分子材料のときは分子配向軸が、一方向に揃っており、複屈折媒質層ＬＹ１には、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された位相構造ＰＳが形成されているが、均質屈折率透明材料は充填されていない。

請求項８に記載の光ピックアップ装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記位相構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された構造であり、前記パターンが屈折率ｎ_s（ｎ_s≠ｎ_o，ｎ_s≠ｎ_e）の媒質で充填されており、階段形状の各段の凹部と凸部による波長λ１の常光偏光もしくは異常光偏光の透過光の位相差が２πの整数倍であることを特徴とする。

請求項９に記載の光ピックアップ装置は、請求項１乃至８のいずれかの発明において、λ１＝３８０〜４５０ｎｍであることを特徴とするので、第１光情報記録媒体と第２光情報記録媒体として、ＢＤやＨＤを用いることができる。
請求項１０に記載の光ピックアップ装置は、請求項１乃至９のいずれかの発明において、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際に前記第１対物光学素子から０次回折光が発生し、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際に前記第１対物光学素子から１次回折光が発生することを特徴とする。

本明細書中において、対物光学素子とは、光ピックアップ装置に光情報記録媒体を装填した状態において、最も光情報記録媒体側の位置で、これと対向すべく配置される集光作用を有する光学素子を指すものとする。

本発明によれば、同一波長の光束を用いて異なる光情報記録媒体に対して、適切に情報の記録及び／又は再生が可能である光ピックアップ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図５は、異なる光情報記録媒体（光ディスクともいう）であるＢＤ又はＨＤに対して適切に情報の記録／再生を行える本実施の形態の光ピックアップ装置ＰＵ１の構成を概略的に示す図である。

本実施の形態においては、集光光学系として、図１〜３に示すごとき位相構造を形成した第１対物光学素子ＯＢＪ１及び正の屈折力を有する第２対物光学素子ＯＢＪ２とからなる対物光学素子（対物レンズともいう）ＯＢＪと、切り替え手段である液晶素子ＬＱと、コリメータＣＯＬとを含む。光ピックアップ装置ＰＵ１は、光源として波長λ１＝３８０〜４５０ｎｍの光束を出射する半導体レーザＬＤと、光検出器ＰＤと、対物光学素子ＯＢＪと、対物光学素子ＯＢＪ駆動用のアクチュエータＡＣＴと、液晶素子ＬＱと、コリメータＣＯＬと、ハーフミラーＨＭを有している。

第１光情報記録媒体であるＢＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、波長λ１の光束が液晶素子ＬＱを通過することにより、常光偏光が出射されるようにする。図５の光ピックアップ装置ＰＵ１において、半導体レーザＬＤから出射された光束は、ハーフミラーＨＭを通過し、コリメートレンズＣＯＬで平行光束とされ、液晶素子ＬＱで常光偏光とされた後、対物光学素子ＯＢＪの第１対物光学素子ＯＢＪ１に入射する。しかるに、常光偏光は第１対物光学素子ＯＢＪ１を通過しても透過波面が変化しないので、平行光束のまま第２対物光学素子ＯＢＪ２に入射して、ここからＢＤの情報記録面ＲＬ１（保護基板の厚さｔ１＝０．０８７５ｍｍ）に集光される。

情報記録面ＲＬ１で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子ＯＢＪ、液晶素子ＬＱ、コリメートレンズＣＯＬを通過し、ハーフミラーＨＭで反射され、シリンドリカルレンズＣＹ、センサレンズＳＥＮを介して、光検出器ＰＤの受光面に集光されるようになっている。光検出器ＰＤの出力信号を用いて、ＢＤに情報記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器ＰＤ上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行い、検出信号に基づいてアクチュエータＡＣＴが、対物光学素子ＯＢＪを光軸方向及び光軸直交方向に移動させる。

第２光情報記録媒体であるＨＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、波長λ１の光束が液晶素子ＬＱを通過することにより、異常光偏光が出射されるようにする。図５の光ピックアップ装置ＰＵ１において、半導体レーザＬＤから出射された光束は、ハーフミラーＨＭを通過し、コリメートレンズＣＯＬで平行光束とされ、液晶素子ＬＱで異常光偏光とされた後、対物光学素子ＯＢＪの第１対物光学素子ＯＢＪ１に入射する。しかるに、異常光偏光は第１対物光学素子ＯＢＪ１を通過することによって透過波面が変化するので、光軸近傍の光束は１次回折光となるが、開口数０．６５に対応する光軸からの高さ位置以上ではフレア光を生じるようになっている。第２対物光学素子ＯＢＪ２に入射した１次回折光は、ここからＨＤの情報記録面ＲＬ２（保護基板の厚さｔ２＝０．６ｍｍ）に集光されるので、保護基板厚ｔ２がＢＤの保護基板厚ｔ１と異なっていても、保護基板厚さの差に起因した球面収差は良好に抑制される。

情報記録面ＲＬ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子ＯＢＪ、液晶素子ＬＱ、コリメートレンズＣＯＬを通過し、ハーフミラーＨＭで反射され、シリンドリカルレンズＣＹ、センサレンズＳＥＮを介して、光検出器ＰＤの受光面に集光されるようになっている。光検出器ＰＤの出力信号を用いて、ＨＤに情報記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器ＰＤ上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行い、検出信号に基づいてアクチュエータＡＣＴが、対物光学素子ＯＢＪを光軸方向及び光軸直交方向に移動させる。

図６は、異なる光情報記録媒体（光ディスクともいう）であるＢＤ又はＨＤに対して適切に情報の記録／再生を行える本実施の形態の光ピックアップ装置ＰＵ２の構成を概略的に示す図である。

本実施の形態においては、集光光学系として、図１〜３に示すごとき位相構造を形成した第１対物光学素子ＯＢＪ１及び正の屈折力を有する第２対物光学素子ＯＢＪ２とからなる対物光学素子ＯＢＪと、切り替え手段である液晶素子ＬＱと、コリメータＣＯＬとを含む。光ピックアップ装置ＰＵ２は、光源として波長λ１＝３８０〜４５０ｎｍの光束を出射する半導体レーザ及び光検出器を一体化したレーザセンサユニットＬＰＤと、対物光学素子ＯＢＪと、対物光学素子ＯＢＪ駆動用のアクチュエータＡＣＴと、液晶素子ＬＱと、コリメータＣＯＬを有している。

第１光情報記録媒体であるＢＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、波長λ１の光束が液晶素子ＬＱを通過することにより、常光偏光が出射されるようにする。図６の光ピックアップ装置ＰＵ２において、レーザセンサユニットＬＰＤの半導体レーザから出射された光束は、コリメートレンズＣＯＬで平行光束とされ、液晶素子ＬＱで常光偏光とされた後、対物光学素子ＯＢＪの第１対物光学素子ＯＢＪ１に入射する。しかるに、常光偏光は第１対物光学素子ＯＢＪ１を通過しても透過波面が変化しないので、平行光束のまま第２対物光学素子ＯＢＪ２に入射して、ここからＢＤの情報記録面ＲＬ１（保護基板の厚さｔ１＝０．０８７５ｍｍ）に集光される。

情報記録面ＲＬ１で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子ＯＢＪ、液晶素子ＬＱ、コリメートレンズＣＯＬを通過し、レーザセンサユニットＬＰＤの光検出器の受光面に集光されるようになっている。光検出器の出力信号を用いて、ＢＤに情報記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行い、検出信号に基づいてアクチュエータＡＣＴが、対物光学素子ＯＢＪを光軸方向及び光軸直交方向に移動させる。

第２光情報記録媒体であるＨＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、波長λ１の光束が液晶素子ＬＱを通過することにより、異常光偏光が出射されるようにする。図６の光ピックアップ装置ＰＵ２において、半導体レーザＬＤから出射された光束は、コリメートレンズＣＯＬで平行光束とされ、液晶素子ＬＱで異常光偏光とされた後、対物光学素子ＯＢＪの第１対物光学素子ＯＢＪ１に入射する。しかるに、異常光偏光は第１対物光学素子ＯＢＪ１を通過することによって透過波面が変化するので、光軸近傍の光束は１次回折光となるが、開口数０．６５に対応する光軸からの高さ位置以上ではフレア光を生じるようになっている。第２対物光学素子ＯＢＪ２に入射した１次回折光は、ここからＨＤの情報記録面ＲＬ２（保護基板の厚さｔ２＝０．６ｍｍ）に集光されるので、保護基板厚ｔ２がＢＤの保護基板厚ｔ１と異なっていても、保護基板厚さの差に起因した球面収差は良好に抑制される。

情報記録面ＲＬ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子ＯＢＪ、液晶素子ＬＱ、コリメートレンズＣＯＬを通過し、レーザセンサユニットＬＰＤの光検出器の受光面に集光されるようになっている。光検出器の出力信号を用いて、ＨＤに情報記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行い、検出信号に基づいてアクチュエータＡＣＴが、対物光学素子ＯＢＪを光軸方向及び光軸直交方向に移動させる。

図７は、異なる光情報記録媒体（光ディスクともいう）であるＢＤ又はＨＤに対して適切に情報の記録／再生を行える本実施の形態の光ピックアップ装置ＰＵ３の構成を概略的に示す図である。

本実施の形態においては、集光光学系として、図１〜３に示すごとき位相構造を形成した第１対物光学素子ＯＢＪ１及び正の屈折力を有する第２対物光学素子ＯＢＪ２とからなる対物光学素子ＯＢＪと、切り替え手段である液晶素子ＬＱと、コリメータＣＯＬとを含む。光ピックアップ装置ＰＵ３は、光源として波長λ１＝３８０〜４５０ｎｍの光束（ただしＰ偏光）を出射する半導体レーザ（ここでは第１光源）及び光検出器を含む第１レーザセンサユニットＬＰＤ１と、光源として波長λ１＝３８０〜４５０ｎｍの光束（ただしＳ偏光に直交するＰ偏光）を出射する半導体レーザ（ここでは第２光源）及び光検出器を含む第２レーザセンサユニットＬＰＤ２と、対物光学素子ＯＢＪと、対物光学素子ＯＢＪ駆動用のアクチュエータＡＣＴと、液晶素子ＬＱと、コリメータＣＯＬと、偏光ビームスプリッタＤＰを有している。

第１光情報記録媒体であるＢＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、図７の光ピックアップ装置ＰＵ３において、第１レーザセンサユニットＬＰＤ１の半導体レーザから出射された光束は、偏光ビームスプリッタＤＰを通過し、コリメートレンズＣＯＬで平行光束とされ、対物光学素子ＯＢＪの第１対物光学素子ＯＢＪ１に入射する。しかるに、常光偏光（Ｐ偏光）は第１対物光学素子ＯＢＪ１を通過しても透過波面が変化しないので、平行光束のまま第２対物光学素子ＯＢＪ２に入射して、ここからＢＤの情報記録面ＲＬ１（保護基板の厚さｔ１＝０．０８７５ｍｍ）に集光される。

情報記録面ＲＬ１で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子ＯＢＪ、コリメートレンズＣＯＬ、偏光ビームスプリッタＤＰを通過し、第１レーザセンサユニットＬＰＤ１の光検出器の受光面に集光されるようになっている。光検出器の出力信号を用いて、ＢＤに情報記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行い、検出信号に基づいてアクチュエータＡＣＴが、対物光学素子ＯＢＪを光軸方向及び光軸直交方向に移動させる。

第２光情報記録媒体であるＨＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、図７の光ピックアップ装置ＰＵ３において、第２レーザセンサユニットＬＰＤ２の半導体レーザから出射された光束は、偏光ビームスプリッタＤＰで反射され、コリメートレンズＣＯＬで平行光束とされ、対物光学素子ＯＢＪの第１対物光学素子ＯＢＪ１に入射する。しかるに、異常光偏光（Ｓ偏光）は第１対物光学素子ＯＢＪ１を通過することによって透過波面が変化するので、光軸近傍の光束は１次回折光となるが、開口数０．６５に対応する光軸からの高さ位置以上ではフレア光を生じるようになっている。第２対物光学素子ＯＢＪ２に入射した１次回折光は、ここからＢＤの情報記録面ＲＬ２（保護基板の厚さｔ２＝０．６ｍｍ）に集光されるので、保護基板厚ｔ２がＢＤの保護基板厚ｔ１と異なっていても、保護基板厚さの差に起因した球面収差は抑制される。

情報記録面ＲＬ２で情報ピットにより変調された反射光束は、再び対物光学素子ＯＢＪ、コリメートレンズＣＯＬを通過し、偏光ビームスプリッタＤＰで反射され、第２レーザセンサユニットＬＰＤ１の光検出器の受光面に集光されるようになっている。光検出器の出力信号を用いて、ＨＤに情報記録された情報の読み取り信号が得られる。

また、光検出器上でのスポットの形状変化、位置変化による光量変化を検出して、合焦検出やトラック検出を行い、検出信号に基づいてアクチュエータＡＣＴが、対物光学素子ＯＢＪを光軸方向及び光軸直交方向に移動させる。

図８は、図５，６の実施の形態で液晶素子ＬＱの代わりに用いることができる切り替え手段の例を示す斜視図である。図８において、切欠を有するハウジングＨに対して、円盤状のλ／２波長板ＨＷＰが回転自在に配置されており、λ／２波長板ＨＷＰの外周に固着されたアームＡＭが、ハウジングＨの切欠から半径方向外方に延在している。アームＡＭの先端には、ドライブシャフトＤＳが係合しており、ドライブシャフトＤＳは、アクチュエータＡＣにより軸線方向に移動可能となっている。

アクチュエータＡＣがドライブシャフトＤＳを引き込んだ状態では、アームＡＭは図８に示す実線の位置となる。これに対し、アクチュエータＡＣがドライブシャフトＤＳを伸長した状態では、アームＡＭは図８に示す点線の位置となり、それによりλ／２波長板ＨＷＰは４５度回転した位置となる。

本発明の切り替え手段を図６，７の光ピックアップ装置に用いたとき、例えばＢＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、アクチュエータＡＣがドライブシャフトＤＳを引き込むことで、λ／２波長板ＨＷＰを所定の角度位置におき、それによりλ／２波長板ＨＷＰを通過した光束は常光偏光となる。これに対し、ＨＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う場合、アクチュエータＡＣがドライブシャフトＤＳを伸長することで、λ／２波長板ＨＷＰを所定の角度に４５度加えた位置におき、それによりλ／２波長板ＨＷＰを通過した光束は異常偏光となる。従って、液晶素子ＬＱの代わりに用いることで、上述と同様の作用効果を実現できる。

以上述べた実施の形態では、対物光学素子に設けた位相構造が、常光偏光が通過したときに透過波面を変化させず、異常光偏光が通過したときに透過波面を変化させるようにしたが、異常光偏光が通過したときに透過波面を変化させず、常光偏光が通過したときに透過波面を変化させるようにしても良いことはいうまでもない。更に本発明は、波長λ１の光束を出射する光源以外に、波長λ１とは異なる波長λ２（６００ｎｍ＜λ２＜７００ｎｍ）、λ３（７００ｎｍ＜λ３＜８００ｎｍ）の光束を出射する光源と、それに対応した集光光学系を用いることで、ＢＤ、ＨＤ、ＤＶＤの３重互換可能な光ピックアップ装置、或いはＢＤ、ＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの４重互換可能な光ピックアップ装置を提供できる。

以下、本実施の形態に好適な実施例について説明する。実施例１は、請求項６に対応する光ピックアップ装置に好適な実施例である。表１にレンズデータを示す。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）において、１０のべき乗数（例えば、２．５×１０−３）を、Ｅ（例えば、２．５Ｅ―３）を用いて表すものとする。

対物レンズの光学面は、それぞれ数１式に、表１に示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面に形成されている。

ここで、Ｘ（ｈ）は光軸方向の軸（光の進行方向を正とする）、κは円錐係数、Ａ_2iは非球面係数、ｈは光軸からの高さである。

また、回折構造により各波長の光束に対して与えられる光路長は、数２式の光路差関数に、表１に示す係数を代入した数式で規定される。

ここで、λは入射光束の波長、λ_Bは製造波長（ブレーズ化波長）、ｎは回折次数、Ｂ_2iは光路差関数の係数である。

図３を参照して、本実施例について説明する。位相構造ＰＳは、「波長λ１の常光偏光」を回折せず、「波長λ１の異常光偏光」を回折する機能を有する。位相構造ＰＳは、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造であり、所定のレベル面（本実施例の形態では５レベル面）の個数毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造（本実施例の形態においては４段シフトさせた構造）となっている。

階段構造の各段差Δ１は、Δ１＝λ１／（ｎｅ−ｎｏ）＝１．０２μｍを満たす高さに設定されている。ここで、ｎｏは波長λ１における複屈折媒質層ＬＹ１の常光屈折率、ｎｅは波長λ１における複屈折媒質層ＬＹ１の異常光屈折率である。

波長λ１の常光偏光が入射した場合には、複屈折媒質層ＬＹ１と均質屈折率透明材料ＬＹ２の屈折率がほぼ同じになるので、「波長λ１の常光偏光」は位相構造ＰＳにより何ら作用を受けずにそのまま透過する。一方、段差Δ１により「波長λ１の異常光偏光」に付加される光路差は０．２×λ１であり、段差Δ１の前後のレベル面を通過する「波長λ１の異常光偏光」の位相は約２π／５だけずれることになる。１つの鋸歯は５分割されているため、鋸歯１つ分ではちょうど「波長λ１の異常光偏光」の位相のずれは５×２π／５＝２πとなり、１次回折光が発生する。位相構造ＰＳは、この１次回折光をＨＤの情報記録面ＲＬ２上に集光させるように設計されている。

このように、位相構造ＰＳは「波長λ１の異常光偏光」のみを選択的に回折させることにより、ＢＤの保護層厚さとＨＤの保護層厚さの違いによる球面収差を補正する。また、位相構造ＰＳはＨＤで用いられるＮＡの領域（0≦h≦1.43mm）にのみあるため、位相構造の外側の領域を通った光束はＨＤに情報記録面ＲＬ２上には集光されず、結果としてＨＤの開口制限として働く。尚、位相構造ＰＳで発生する「波長λ１の常光偏光」の０次回折光（透過光）の回折効率は１００％、「波長λ１の異常光偏光」の１次回折光の回折効率は８７．５％であり、ＢＤとＨＤの両方に対して高い回折効率を得ている。

実施例２は、請求項５に対応する光ピックアップ装置に好適な実施例である。表２にレンズデータを示す。

図１を参照して、本実施例について説明する。位相構造ＰＳは「波長λ１の常光偏光」を回折せず、「波長λ１の異常光偏光」を回折する機能を有する。位相構造ＰＳは、光軸を含む断面形状が鋸歯状のパターンが同心円上に配列された構造を有する。

波長λ１の常光偏光が入射した場合には、複屈折媒質層ＬＹ１と均質屈折率透明材料ＬＹ２の屈折率がほぼ同じになるので、「波長λ１の常光偏光」は位相構造ＰＳにより何ら作用を受けずにそのまま透過する。一方、位相構造ＰＳは、「波長λ１の異常光偏光」が入射した際に１次回折光が発生するように設定されている。位相構造ＰＳは、この１次回折光をＨＤの情報記録面ＲＬ２上に集光させるように設計されている。

このように、位相構造ＰＳは「波長λ１の異常光偏光」のみを選択的に回折させることにより、ＢＤの保護層厚さとＨＤの保護層厚さの違いによる球面収差を補正する。また、位相構造ＰＳはＨＤで用いられるＮＡの領域（0≦h≦1.43mm）にのみあるため、位相構造の外側の領域を通った光束はＨＤに情報記録面ＲＬ２上には集光されず、結果としてＨＤの開口制限として働く。尚、位相構造ＰＳで発生する「波長λ１の常光偏光」の０次回折光（透過光）の回折効率、および「波長λ１の異常光偏光」の１次回折光の回折効率はともに１００％であり、ＢＤとＨＤの両方に対して高い回折効率を得ている。

実施例３は、請求項６に対応する光ピックアップ装置に好適な実施例である。表３にレンズデータを示す。

図４を参照して、本実施例について説明する。位相構造ＰＳは「波長λ１の異常光偏光」を回折せず、「波長λ１の常光偏光」を回折する機能を有する。位相構造ＰＳは、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円上に配列された構造を有し、所定のレベル面（本実施例の形態では４レベル面）の個数毎に、そのレベル面数に対応した段数分の高さだけ段をシフトさせた構造（本実施例の形態においては３段シフトさせた構造）となっている。階段構造の各段差Δ１は、Δ１＝２×λ１／（ｎｅ−１）＝１．３４μｍを満たす高さに設定されている。ここで、ｎｅは波長λ１における複屈折媒質層ＬＹ１の異常光屈折率である。

波長λ１の異常光偏光が入射した場合には、段差Δ１により「波長λ１の異常光偏光」に付加される光路差は２×λ１であるので、「波長λ１の異常光偏光」は位相構造ＰＳにより何ら作用を受けずにそのまま透過する。一方、段差Δ１により「波長λ１の常光偏光」に付加される光路差は１．７４×λ１であり、段差Δ１の前後のレベル面を通過する「波長λ１の常光偏光」の位相は約−２π／４だけずれることになる。１つの鋸歯は４分割されているため、鋸歯１つ分ではちょうど「波長λ１の常光偏光」の位相のずれは４×（−２π／４）＝−２πとなり、−１次回折光が発生する。位相構造ＰＳは、この−１次回折光をＨＤの情報記録面ＲＬ２上に集光させるように設計されている。

このように、位相構造ＰＳは「波長λ１の常光偏光」のみを選択的に回折させることにより、ＢＤの保護層厚さとＨＤの保護層厚さの違いによる球面収差を補正する。また、位相構造ＰＳはＨＤで用いられるＮＡの領域（0≦h≦1.43mm）にのみあるため、位相構造の外側の領域を通った光束はＨＤに情報記録面ＲＬ２上には集光されず、結果としてＨＤの開口制限として働く。尚、位相構造ＰＳで発生する「波長λ１の異常光偏光」の０次回折光（透過光）の回折効率は１００％、「波長λ１の常光偏光」の−１次回折光の回折効率は８０．５％であり、ＢＤとＨＤの両方に対して高い回折効率を得ている。

位相構造を備えた対物光学素子ＯＢＪ１の断面図である。 異なる偏光を対物光学素子ＯＢＪ１に通過させた際に生じる透過波面を示す図である。 位相構造を備えた対物光学素子ＯＢＪ１の別例の断面図である。 位相構造を備えた対物光学素子ＯＢＪ１の別例の断面図である。 第１の実施の形態の光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。 第２の実施の形態の光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。 第３の実施の形態の光ピックアップ装置の構成を概略的に示す図である。 図５，６の実施の形態で液晶素子ＬＱの代わりに用いることができる切り替え手段の例を示す斜視図である。

符号の説明

ＡＣ アクチュエータ
ＡＣＴ アクチュエータ
ＡＭ アーム
ＢＳ 偏光ビームスプリッタ
ＣＯＬ コリメートレンズ
ＣＹ シリンドリカルレンズ
ＤＰ 偏光ビームスプリッタ
ＤＳ ドライブシャフト
Ｈ ハウジング
ＨＭ ハーフミラー
ＨＷＰ λ／２波長板
ＬＤ 半導体レーザ
ＬＰＤ レーザセンサユニット
ＬＰＤ１ 第１レーザセンサユニット
ＬＰＤ２ 第２レーザセンサユニット
ＬＱ 液晶素子
ＬＹ１ 複屈折媒質層
ＬＹ２ 均質屈折率透明材料
ＮＡ１ 第１開口数
ＮＡ２ 第２開口数
ＯＢＪ 対物光学素子
ＯＢＪ１ 第１対物光学素子
ＯＢＪ２ 第２対物光学素子
ＰＤ 光検出器
ＰＳ 位相構造
ＰＵ１ 光ピックアップ装置
ＰＵ２ 光ピックアップ装置
ＰＵ３ 光ピックアップ装置
ＲＬ１ 情報記録面
ＲＬ２ 情報記録面
ＳＥＮ センサレンズ

Claims (10)

1. 波長λ１の光束を出射する光源と、対物光学素子を含む集光光学系と、共通に用いる光検出器とを有し、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ１の保護層を介して第１光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっており、又、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ２（≠ｔ１）の保護層を介して第２光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっている光ピックアップ装置であって、
   前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡは、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡより大きく、
   前記集光光学系は、透過光の偏光方向を切り替える切り替え手段を、前記光源と前記対物光学素子との間に有しており、
   前記対物光学素子が、平行光束が入射する第１対物光学素子と、前記第１対物光学素子よりも光情報記録媒体側に配置された正の屈折力を有する第２対物光学素子とを有し、
   前記第１対物光学素子は、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（ｎ_o≠ｎ_e）で屈折率楕円体の光軸が１方向に揃った複屈折媒質からなり、常光偏光もしくは異常光偏光の入射光の透過波面は変化させず、異常光偏光もしくは常光偏光の入射光の透過波面は変化させる機能を有する位相構造を、前記第２光情報記録媒体使用時における前記対物光学素子のＮＡ内の領域のみに形成し、且つ前記ＮＡの外側の領域に位相構造を形成していないことを特徴とする光ピックアップ装置。
2. 前記切り替え手段は、液晶により透過光の偏光方向を９０±５度切り替えることを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ装置。
3. 前記切り替え手段は、λ／２波長板と、前記λ／２波長板を光軸周りに４５±５度回転させる機構とを有することを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ装置。
4. 波長λ１の光束を出射する光源と、対物光学素子を含む集光光学系と、共通に用いる光検出器とを有し、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ１の保護層を介して第１光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっており、又、前記集光光学系が、前記光源からの光束を厚さｔ２（≠ｔ１）の保護層を介して第２光情報記録媒体の情報記録面に集光させ、その反射光を受光した前記光検出器からの信号に基づいて、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行うことが可能となっている光ピックアップ装置であって、
   前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡは、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際における前記対物光学素子のＮＡより大きく、
   前記対物光学素子が、平行光束が入射する第１対物光学素子と、前記第１対物光学素子よりも光情報記録媒体側に配置された正の屈折力を有する第２対物光学素子とを有し、
   前記第１対物光学素子は、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（ｎ_o≠ｎ_e）で屈折率楕円体の光軸が１方向に揃った複屈折媒質からなり、常光偏光もしくは異常光偏光の入射光の透過波面は変化させず、異常光偏光もしくは常光偏光の入射光の透過波面は変化させる機能を有する位相構造を、前記第２光情報記録媒体使用時における前記対物光学素子のＮＡ内の領域のみに形成し、且つ前記ＮＡの外側の領域に位相構造を形成しておらず、
   前記光源は、前記位相構造に対して前記波長λ１の常光偏光を出射できる第１光源と、前記位相構造に対して前記波長λ１の異常光偏光を出射できる第２光源とを有していることを特徴とする光ピックアップ装置。
5. 前記位相構造は、断面が鋸歯状の凹凸部からなり、前記凹凸部が前記屈折率ｎ_oもしくはｎ_eとほぼ等しい屈折率ｎ_sの屈折率の媒質で充填されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
6. 前記位相構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された構造であり、前記パターンが前記屈折率ｎ_oもしくはｎ_eとほぼ等しい屈折率ｎ_sの屈折率の媒質で充填されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
7. 前記位相構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された構造であり、階段形状の各段の凹部と凸部による波長λ１の常光偏光もしくは異常光偏光の透過光の位相差が２πの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
8. 前記位相構造は、光軸を含む断面形状が階段状とされたパターンが同心円状に配列された構造であり、前記パターンが屈折率ｎ_s（ｎ_s≠ｎ_o，ｎ_s≠ｎ_e）の媒質で充填されており、階段形状の各段の凹部と凸部による波長λ１の常光偏光もしくは異常光偏光の透過光の位相差が２πの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
9. λ１＝３８０〜４５０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
10. 前記第１光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際に前記第１対物光学素子から０次回折光が発生し、前記第２光情報記録媒体に対して情報の記録及び／又は再生を行う際に前記第１対物光学素子から１次回折光が発生することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光ピックアップ装置。

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