JP4575608B2

JP4575608B2 - 光学ヘッド

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Publication number: JP4575608B2
Application number: JP2001048779A
Authority: JP
Inventors: 照弘塩野; 圭一松▲ざき▼; 秀彦和田; 清治西野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP2001319368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的記録再生装置の光学ヘッドに関し、特に、実質的に波長広がりのある光源を用いても良好な光学特性を有する光学ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンパクトディスク（ＣＤ）、ＤＶＤ等の光ディスクや光カードメモリ等の光学的記録媒体の信号を読み出すための重要な構成部品として光学ヘッドがある。
光学ヘッドは、光学的記録媒体から信号を取り出すために、信号検出機能だけでなくフォーカスサーボ、トラッキングサーボ等の制御機構を備える必要がある。
【０００３】
光学ヘッドは、通常、光源、光検出器、対物レンズ、フォーカス／トラック誤差信号検出素子、立ち上げミラー、コリメータレンズ等の種々の光学部品によって構成されている。光源から出射されたレーザ光は、対物レンズ（集光レンズ）によって光ディスク上に集光される。光ディスク上に集光されたレーザ光は、反射されて光検出器で検出される。これにより、再生信号が読み出される。また、フォーカス／トラック誤差信号検出素子によってフォーカス／トラックの制御が行われ、安定して信号を読み出すことができるようにされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高周波重畳を印加した半導体レーザ光源等の波長広がりがある光源の場合、集光スポットが対物レンズを含む光学系の色収差（特に硝材の色分散が主な要因）のため、波長広がりの量に応じて情報記録媒体上の集光スポットにデフォーカスが発生し易いという問題点があった。
【０００５】
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、デフォーカス補正手段と球面収差補正手段の双方を備えることにより、光源の波長広がりと対物レンズの色収差とにより生じる情報記録媒体上の集光スポットのデフォーカスを補正しつつ、合わせて光学系の設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を補正し、さらに必要に応じて情報記録媒体の基材の基準厚みに対する誤差から生じる球面収差を補正し、良好な光学特性を得ることができる光学ヘッドを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の光学ヘッドは、光源と、前記光源から出射された光を情報記録媒体に集光する対物レンズと、前記情報記録媒体から反射された光を検出する光検出器とを備え、前記光源と前記情報記録媒体との間の光路中に、デフォーカス補正手段と球面収差補正手段とを具備し、前記球面収差補正手段は、前記デフォーカス補正手段の、設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を、その球面収差量に対応して実質的に補正するとともに、前記情報記録媒体の基材の基準厚みに対する誤差から生じる球面収差も実質的に補正することを特徴とする。前記のような光学ヘッドによれば、デフォーカス補正手段と球面収差補正手段の双方を備えているので、光源の波長広がりと対物レンズの色収差とにより生じる情報記録媒体上の集光スポットのデフォーカスを補正しつつ、合わせて光学系の設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を補正し、さらに必要に応じて情報記録媒体の基材の基準厚みに対する誤差から生じる球面収差を補正することができ、良好な光学特性を得ることができる。
【０００７】
前記光学ヘッドにおいては、前記光源は、波長の半値全幅が実質的に０．３ｎｍ以上の波長広がりがあることが好ましい。光源にこのような範囲の波長広がりがある場合、情報記録媒体上にデフォーカスが生じて集光スポットが劣化し易いため、本発明の効果はより有効である。
【０００８】
また、前記波長をλとすると、０．３μｍ≦λ≦０．５μｍの関係を満たすことが好ましい。波長がこのような範囲内である場合、デフォーカスの発生、及び波長ずれに対する球面収差の発生量が一層大きくなり、情報記録媒体上の信号を読みとりにくくなる可能性があるので、本発明の効果はより有効である。
【０００９】
また、前記デフォーカス補正手段は、前記光源の波長広がりと前記対物レンズの色収差とにより生じる、前記情報記録媒体上の集光スポットのデフォーカスを実質的に補正することが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、集光スポットのデフォーカスの主要因である対物レンズに起因するデフォーカスを補正できるので、良好な光学特性を得ることができる。
【００１０】
また、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に前記光源から出射した光を実質的に平行光にするコリメータレンズをさらに備え、前記デフォーカス補正手段は、前記光源の波長広がりと、前記対物レンズと前記コリメータレンズとを含む光学系の色収差とにより生じる、前記情報記録媒体上の集光スポットのデフォーカスを実質的に補正することが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、集光スポットのデフォーカスをより確実に補正できる。
【００１１】
また、前記デフォーカス補正手段、及び前記コリメータレンズで形成されたレンズ群によって、前記光源から出射した光を実質的に平行光にし、かつ前記デフォーカスを実質的に補正することが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、レンズ群は、対物レンズだけではなく、コリメータレンズも含む光学系全体の色収差を実質的に補正することができる。このため、対物レンズに対する色収差補正手段を別途設ける必要がないので、対物レンズの構成を簡単にでき、光学ヘッドを高さ方向において薄型化できる。
【００１２】
また、前記デフォーカス補正手段は、回折光学素子であることが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、回折光学素子と対物レンズとの組み合わせにより、色収差をとることができ、屈折光学素子のみを用いて色収差をとる構成に比べ、薄型軽量化が可能になる。
【００１３】
また、前記回折光学素子は、凸型の回折光学レンズであることが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、凸型の回折光学レンズと対物レンズとの組み合わせ、すなわち凸型のレンズ同士の組み合わせにより、色収差をとることが可能なため、情報記録媒体上に集光する集光レンズの開口数を対物レンズとデフォーカス補正素子とで分担でき、対物レンズの開口数を抑えることができる。
【００１４】
また、前記デフォーカス補正手段は、アフォーカル光学素子であることが好ましい。
【００１５】
また、前記アフォーカル光学素子は、段差寸法Ｌ１の階段状の断差を有し、波長λ、前記光学素子の材料の屈折率ｎ、任意の整数ｍに対して、前記段差寸法Ｌ１が、実質的にＬ１＝ｍλ／（ｎ−１）となることが好ましい。
【００１６】
また、前記アフォーカル光学素子は、凸型と凹型の組み合わせレンズであることが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、光の損失を少なくできる。
【００１７】
また、前記デフォーカス補正手段は、いずれも屈折光学素子である凹型と凸型の組み合わせレンズであることが好ましい。
【００１８】
また、前記球面収差補正手段は、前記対物レンズ、及び前記デフォーカス補正手段の、設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を実質的に補正することが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、波長ずれから生じる球面収差の主要因である対物レンズに起因する球面収差を補正できるので、良好な光学特性を得ることができる。
【００１９】
また、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に前記光源から出射した光を実質的に平行光にするコリメータレンズをさらに備え、前記球面収差補正手段は、前記対物レンズと前記コリメータレンズとを含む光学系、及び前記デフォーカス補正手段の、設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を実質的に補正することが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、波長ずれから生じる球面収差をより確実に補正できる。
【００２０】
また、前記球面収差補正手段は、前記情報記録媒体の基材の基準厚みに対する誤差から生じる球面収差を実質的に補正する。前記のような光学ヘッドによれば、波長ずれから生じる球面収差の補正に加え、情報記録媒体の基材の基準厚みに対する誤差から生じる球面収差を補正できるので、より良好な光学特性を得ることができる。
【００２１】
また、前記球面収差補正手段は屈折率分布が可変可能である液晶素子で形成されていることが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、波長の変化に応じて位相分布を設定することができるので、球面収差を良好に補正することができる。
【００２２】
また、前記液晶素子は半径方向に電気的に分割された４分割以上の領域を有することが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、波長の変化に応じて、各分割部分に印加する電位量を変えることにより、球面収差を補正することができ、４分割以上の領域を有することにより、球面収差の値を半分以下にすることができる。
【００２３】
また、前記情報記録媒体に集光する集光レンズの開口数を、前記対物レンズと前記デフォーカス補正手段とで分担していることが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、対物レンズの開口数を抑えることができるので、対物レンズの製作が容易になる。
【００２４】
また、前記デフォーカス補正手段は、凸型の回折光学レンズであり、前記対物レンズの開口数は、前記回折光学レンズの開口数に対して、８倍から２０倍の範囲内であることが好ましい。
【００２５】
また、前記対物レンズが２枚以上のレンズで構成されていることが好ましい。
前記のような光学ヘッドによれば、容易に開口数を高めることができる。
【００２６】
また、前記対物レンズの開口数が０．５５以上であることが好ましい。
【００２７】
また、前記対物レンズが２枚以上のレンズで構成され、開口数が０．６５以上であることが好ましい。このように、開口数が大きくなると、デフォーカスが発生し易くなるので、デフォーカス補正の効果がより有効になる。
【００２８】
また、前記デフォーカス補正手段と前記球面収差補正手段は一体化されていることが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、デフォーカス補正手段と球面収差補正手段とが一つの部品で形成できるため、装置の薄型化が図れ、位置合わせも不用になる。
【００２９】
また、前記デフォーカス補正手段と前記球面収差補正手段のうち、少なくとも一方は前記対物レンズと一体になってアクチュエータで駆動されることが好ましい。前記のような光学ヘッドによれば、対物レンズの光軸と、デフォーカス補正手段及び前記球面収差補正手段のうち少なくとも一方の光軸とが一致したまま駆動できるので、良好な光学特性が得られる。
【００３０】
【発明の実施形態】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施形態１に係る光学ヘッドについて、図１から図５までを用い、座標軸を各図のようにとって詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施形態１に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示した側面図である。
【００３２】
図１に示したように、光源１からＤＶＤやＣＤ等の光ディスクである情報記録媒体１１までの光路中に、対物レンズ４、デフォーカス補正手段であるデフォーカス補正素子５、球面収差補正手段である球面収差補正素子９、立ち上げミラー１２、フォーカス／トラック誤差信号検出素子８、及びコリメータレンズ３が配置されている。
【００３３】
光源１は、実質的に波長広がりがある光源である。この光源１は、例えば波長４０５ｎｍの光源であり、光検出器（図示せず）とともに光源・光検出器ユニット１０内に集積化されている。本実施形態においては、光源１として、高周波重畳を印加した半導体レーザが用いられている。
【００３４】
光源１である半導体レーザからｙ軸方向に出射されたレーザ光である出射光２は、コリメータレンズ３により、例えば、ビーム径４ｍｍの略平行光６となり、回折型のフォーカス／トラック誤差信号検出素子８を透過（０次回折光利用）して、立ち上げミラー１２によって光路をｚ軸方向に折り曲げられる。そして、ｚ軸方向に折り曲げられたレーザ光６は、球面収差補正素子９、デフォーカス補正素子５を通過して、対物レンズ４によって情報記録媒体１１上に集光（収束光７）される。
【００３５】
情報記録媒体１１によって反射されたレーザ光７は、逆方向に折り返し、対物レンズ４、デフォーカス補正素子５、球面収差補正素子９、立ち上げミラー１２を順に通過し、回折型フォーカス／トラック誤差信号検出素子８によって分割されて（１次回折光利用）、コリメータレンズ３により、光検出器上に集光し信号が検出される。
【００３６】
図２は、本実施形態の光学ヘッドにおいて、対物レンズ等を構成する硝材の屈折率と波長との関係を示すグラフを示している。本実施形態では、戻り光ノイズを低減するために半導体レーザである光源１に高周波重畳を印加しており、その結果、波長の半値全幅が広がっている。図２から、対物レンズ４やコリメータレンズ３を構成する硝材は、その屈折率が波長に依存していることが分かる。このことから、光源１に波長広がりがあるときは、この波長広がりとレンズの色収差とによって、各波長に対応するレンズの焦点距離が変わることになる。すなわち、光源１の波長全体についてみると、波長が異なれば、焦点位置もずれてしまうので、情報記録媒体１１上の集光スポットにデフォーカスが生じ易いという現象が生じた。なお、図２はＶＣ７９の硝材の例であるが、他の硝材も同様の変化を示すものである。
【００３７】
本発明者らは、前記のようなデフォーカスを防止するために、図１に示したように、デフォーカス補正素子５を用いており、図３にその詳細を示している。図３（ｂ）は、デフォーカス補正素子５の平面図であり、図３（ａ）は図３（ｂ）のＩ−Ｉ線における断面図である。デフォーカス補正素子５は、図３に示したように、ガラス基板５ａ上に鋸歯形状部１４を有する凸型の回折光学レンズである。
【００３８】
このデフォーカス補正素子５は、対物レンズ４と組み合わせて対物レンズ４の色収差をとる（色消し）構成になっている。すなわち、デフォーカス補正素子５は、光源１の波長広がりと対物レンズ４の色収差とにより生じる情報記録媒体１１上の集光スポットのデフォーカスを実質的に補正するだけの補正能力を有している。なお、実質的に補正するとは、完全に補正することのみならず、実用上問題のない程度にまで補正する意味を含んでいる（以下同じ）。
【００３９】
デフォーカス補正素子５の一例として、口径ｄが４ｍｍ、開口数（ＮＡ）が約０．０５、溝深さＬが０．８μｍで、周期Ｔが外周になるに従い徐々に小さくなる構造（例えば、最外周周期８μｍ）のものが挙げられる。溝深さＬは、光源１の中心波長λとデフォーカス補正素子５の材料の屈折率ｎに対して、実質的にＬ＝２λ／（ｎ−１）を満足するようにすれば、高い回折効率が得られる。
【００４０】
このように、本実施形態では、デフォーカス補正素子５として回折光学素子を用い、この回折光学素子として凸型の回折光学レンズを用いている。すなわち、凸型の回折光学レンズと凸型の対物レンズ４との組み合わせにより、色消しを行なう構成になっている。屈折光学素子のみを用いてこのような色消しを行なう構成とするには、凹型レンズと凸型レンズとの組み合わせにより可能である。
【００４１】
本実施形態では、屈折光学素子のみを用いて色消しを行なう構成に比べ、薄型軽量化が可能である。
【００４２】
また、このようなデフォーカス補正素子５と対物レンズ４との組み合わせ、すなわち凸型のレンズ同士の組み合わせにより、色消しが可能なため、情報記録媒体１１上に集光する集光レンズのＮＡを対物レンズ４とデフォーカス補正素子５とで分担できる。
【００４３】
例えば、本実施形態では、対物レンズ４のＮＡを０．６とし、デフォーカス補正素子５のＮＡを０．０５と分担させ、トータルでＮＡを０．６５にしている。
対物レンズ４のＮＡを高めるほど、成形が困難になるが、このようにＮＡを分担させることにより、対物レンズ４の製作が容易になる。なお、対物レンズ４の硝材によって異なるが、色消し条件を満足している場合、対物レンズ４のＮＡは、回折光学レンズ５のＮＡに対して、約８倍から２０倍の範囲内にある。
【００４４】
また、対物レンズ４以外にもコリメータレンズ３等も光学系として用いているため、デフォーカス補正素子５は、対物レンズ４のみだけではなく、コリメータレンズ３等も含む光学系全体の色収差を実質的に補正するようにすればより好ましい。このことは、デフォーカス補正素子５に、光学系全体の色収差を実質的に補正するだけの補正能力を持たせることにより、実現できる。
【００４５】
さらに、本発明者らは、前記のように、デフォーカス補正手段を用いた場合、環境温度により光源の波長が、例えば±１０ｎｍ程度変化すると、球面収差が発生し易いという課題があることを発見した。
【００４６】
詳細にその原因を検討すると、このような球面収差の発生についても、図２に示したような、硝材の屈折率が波長に依存していることが主な要因であることが分かった。さらに、図１に示したように、デフォーカス補正素子５を用いた場合、光源１の波長が変化すると、球面収差の値は、デフォーカス補正素子５を用いない場合に比べて、およそ１．２〜１．７倍程度大きくなることが分かった。
【００４７】
このような球面収差を防止するために、本実施形態では、図１に示したように、球面収差補正素子９を用いており、図４にその詳細を示している。図４は、球面収差補正素子の一例の平面図を示しており、本図に示した球面収差補正素子９は、屈折率分布が可変可能である液晶素子で形成されており、液晶をガラス板で挟み込んだ構造となっている。
【００４８】
より具体的には、ガラス基板９ａに同心円状の複数の透明分割電極１３ａ〜１３ｉを設けており、半径方向について電気的に分割した４分割以上の領域（図４の例では９分割）を有している。各透明分割電極１３ａ〜１３ｉに電位を印加すると、電位量に応じて液晶の屈折率が変わり、位相分布として実現される。
【００４９】
図５は、入射波長が変化したときの球面収差補正素子９の位相分布図である。
光源１の波長が設計波長、例えばλ＝４０５ｎｍのときは、波長ずれによる球面収差は発生しないため、図５（ａ）に示したように位相量は全領域にわたり０である。この場合、各透明分割電極１３ａ〜１３ｉには電位の差が無い状態で良い。
【００５０】
しかしながら、例えば波長が１０ｎｍ増加して、λ＝４１５ｎｍになると、球面収差量は、０から例えば−４３ｍλとなったので、図５（ｂ）に示したような、例えば、最大値０．５〜１ｒａｄ程度の２山の位相分布になるように各透明分割電極１３ａ〜１３ｉに異なる電位を印加し、球面収差量を低減させた。この場合、球面収差量の変動量の算出は、球面収差量の検出機構により行われ、球面収差量がゼロから変動すると、検出機構により変動量を算出し、この変動量に対応させて位相分布を形成する。
【００５１】
次に、例えば波長が１０ｎｍ減少して、λ＝３９５ｎｍになった場合、球面収差量は、例えば４６ｍλとなったので、図５（ｃ）に示すような、例えば、最小値０．５〜１ｒａｄ程度の２谷の位相分布になるように各透明分割電極１３ａ〜１３ｉに異なる電位を印加し、波長が増加した場合と同様に球面収差量を低減させた。このように、波長が変化し球面収差が発生した場合、波長の変化に応じて各透明分割電極１３ａ〜１３ｉに印加する電位量を変えることにより、球面収差をほぼ良好に実質的に補正することができた。
【００５２】
図５（ｂ）、（ｃ）に示した位相分布は理想的な場合を示しており、本実施形態では透明分割電極１３ａ〜１３ｉを用いているため、図５（ｂ）、（ｃ）の位相分布を階段状に近似して実現している。近似度を向上させるには透明分割電極の分割数を増大させ、印加電位をそれに合わせてきめ細かく制御することが好ましいが、半径方向に電気的に４分割（４分割電極）以上に分割すれば、球面収差の値を半分以下にできる効果があることが分かった。
【００５３】
以上のように、本実施形態によれば、デフォーカス補正手段５と球面収差補正手段９の双方を備えているので、光源１の波長広がりと光学系の色収差とにより生じる情報記録媒体１１上の集光スポットのデフォーカスを実質的に補正しつつ、合わせて光学系の設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を実質的に補正することができ、良好な光学特性を得ることができる。
【００５４】
特に、波長広がりとして波長の半値全幅が実質的に０．３ｎｍ以上であれば、デフォーカスが生じて集光スポットが劣化し易いため、このような本発明の効果がより有効になる。また、図２に示したように、波長λが０．３μｍ≦λ≦０．５μｍの範囲内では、特に屈折率変化が大きくなっている。すなわち、このような範囲内では、λ＞０．５μｍの範囲と比べると、波長の僅かな変化によって屈折率が大きく変化する。このため、このような範囲内では、デフォーカスの発生、及び波長ずれに対する球面収差の発生量が一層大きくなり、情報記録媒体１１上の信号を読みとりにくくなる可能性のあることが分かった。したがって、波長λが０．３μｍ≦λ≦０．５μｍの範囲内においては本発明の効果はより有効である。この波長範囲は小数点以下１桁に四捨五入された値である。したがって、この波長範囲は０．２５μｍ及び０．５４μｍも含んでいる。
【００５５】
また、情報記録媒体１１に集光する集光レンズ（本実施形態では、対物レンズ４とデフォーカス補正素子５の組み合わせレンズ）のＮＡが大きいほどデフォーカスが発生し易いため、この場合も本発明の効果はより有効であり、ＮＡ０．５５以上のときに特に有効であった。
【００５６】
なお、対物レンズ４以外にもコリメータレンズ３等も光学系として用いているため、球面収差補正素子９は、対物レンズ４のみだけではなく、コリメータレンズ３等も含む光学系全体の、設計波長と入射波長のずれから生じる球面収差を実質的に補正するようにすればより好ましい。このことは、球面収差補正素子９に、光学系全体の球面収差を実質的に補正するように位相分布を設定することにより、実現できる。
【００５７】
また、本実施形態では、デフォーカス補正素子５、球面収差補正素子９、及び対物レンズ４をアクチュエータで、一体駆動にした。このような構成にすることにより、３つの素子の光軸が一致したままで駆動できるため、良好な光学特性が得られる。なお、デフォーカス補正素子５と球面収差補正素子９のいずれか一方の素子と対物レンズ４をアクチュエータで一体駆動にしてもこのような効果は、ある程度は得られる。
【００５８】
また、球面収差補正手段９は、光源自体の波長のずれから生じる球面収差の補正だけでなく、情報記録媒体１１の基材厚みの製造誤差（例えば設計値０．６ｍｍに対する製造誤差）により生じる球面収差をさらに実質的に補正するように、位相分布を設定することも可能である。このような位相分布を形成することにより、光学特性を一層向上させることができる。
【００５９】
また、本実施形態においては、球面収差補正素子９、及びデフォーカス補正素子５は、図１に示した配置だけでなく、情報記録媒体１１から光源１までの光路中に配置すれば良い。また、対物レンズ４を有限系の配置で使うことによりコリメータレンズ３はなくても良い。
【００６０】
また、回折光学素子によるデフォーカス補正素子５の向きは本実施形態の場合と逆向きであってもよい。さらに、コリメータレンズ３とフォーカス／トラック誤差信号検出素子８の位置は逆でもよい。
【００６１】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施形態２の光学ヘッドについて、図６を用いて、前記実施形態１と異なる点を中心に説明する。図６は本発明の実施形態２に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。
【００６２】
本実施形態の光学ヘッドは、デフォーカス補正手段であるデフォーカス補正素子５ａと球面収差補正手段である球面収差補正素子９ａとが一体化されている構成である。球面収差補正素子９ａ上に、デフォーカス補正素子５ａを形成することにより、デフォーカス補正手段と球面収差補正手段とが１つの部品で形成できるため装置の薄型化が図れ、位置合わせも不要になる。
【００６３】
また、デフォーカス補正素子５ａと球面収差補正素子９ａの配置は、図６に示した場合と逆向きであってもよい。
【００６４】
（実施の形態３）
次に、実施形態３に係る光学ヘッドについて、図７、８を用いて、前記実施形態１と異なる点を中心に説明する。図７は実施形態３に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図であり、図８（ｂ）は、実施形態３に係るデフォーカス補正素子を形成した対物レンズの平面図であり、図８(ａ)は、図８(ｂ)のII−II線における断面図である。
【００６５】
図８に示したように、対物レンズ４ａ上にはそれぞれ同心円のパターン形状が形成されている。このパターン形状は、図８（ａ）に示したように、断面形状は段差ｓを有する実質的に鋸歯形状であり、この鋸歯形状によりデフォーカス補正素子５ｂが形成されている。このように、デフォーカス補正素子５ｂと対物レンズ４ａとを一体化構造にすることにより、光学ヘッドの小型化が図れ、位置合わせも簡単になる。
【００６６】
ここで、光源１の中心波長λとデフォーカス補正素子５ｂを形成する材料の屈折率ｎに対して、段差ｓは、実質的にｓ＝２λ／（ｎ−１）を満足するように形成されている。設計波長λすなわち波長広がりの無い単一の波長λが入射した場合は、段差ｓに対応する光の位相差が、実質的に２πとなる（実質的に位相飛びがない）ため、段差ｓがない場合と同様に（デフォーカス補正素子５ｂが無い場合と同様に）、ほとんど光の損失が無く、対物レンズ４ａにより良好に集光されることになる。
【００６７】
一方、入射波長が設計値からずれてくると、デフォーカス補正素子５ｂの溝の深さに対する位相差が、２πからずれてくるため、デフォーカス補正素子５ｂは、対物レンズ４ａの波長ずれによる焦点変動（色収差）をうち消しあうように波面変換を行う。
【００６８】
すなわち、平行光６の波長が長くなると、対物レンズ４ａの硝材の屈折率が小さくなるため、対物レンズ４ａの焦点距離は長くなる。しかし、デフォーカス補正素子５ｂは、段差での位相差が２πから小さくなるため、デフォーカス補正素子５ｂの出射光は収束光になり、対物レンズ４ａの焦点距離が実施上短くなるように作用し、トータルでみると焦点距離の変動はなくなる。
【００６９】
なお、本実施形態では、デフォーカス補正素子５ｂの段差での実質的に位相飛びがないように、位相差を２πになるように段差ｓを設定したが、位相差が、実質的に２πの整数倍になるようにしても良い。ただしこの場合は光の損失は前者よりも大きくなる。
【００７０】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施形態４に係る光学ヘッドについて、図９を用いて、前記実施形態１と異なる点を中心に説明する。図９は本発明の実施形態４に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。
【００７１】
本実施形態においては、図９に示すように、対物レンズが４ｂと４ｃとの２枚構成であり、デフォーカス補正素子５と合わせてトータル３枚で、例えば、ＮＡ０．８５の高いＮＡの集光レンズを形成する。また、情報記録媒体１１ａは、これまでの実施形態では、基材厚（保護層の厚さ）が０．６ｍｍであったが、本実施形態では０．１ｍｍと薄くなっている。
【００７２】
本実施形態においては、基材厚が薄く、基材内を通る光路長の絶対値が小さくなるため、情報記録媒体１１ａの傾きにより生じるコマ収差の増大を抑えつつ、対物レンズのＮＡを高めることができる。
【００７３】
本実施形態は、実施形態１と同様に、デフォーカス補正手段５と球面収差補正手段９の双方を備えているので、光源の波長広がりと光学系の色収差とにより生じる情報記録媒体１１ａ上の集光スポットのデフォーカスを補正しつつ、合わせて光学系の設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を実質的に補正することができる。
【００７４】
ここで、対物レンズのＮＡが、０．６５以上になると実施形態１のような１枚構成では良好な特性が得られず、本実施形態のように２枚以上で構成する必要があった。また、実施形態１で説明したように、情報記録媒体に集光する集光レンズのＮＡが大きいほどデフォーカスが発生し易く、特に集光レンズのＮＡが０．５５以上の場合に本発明の効果は有効である。実験の結果、本実施形態のように、組み合わせの集光レンズのＮＡが０．６５以上と大きい場合には、デフォーカスがより発生し易いことが分かった。このため、デフォーカス補正の効果は、本実施形態のように、対物レンズを２枚以上組み合わせて、集光レンズのＮＡを０．６５以上とした場合には、より有効である。
【００７５】
また、波長が０．３μｍ≦λ≦０．５μｍの領域では一層デフォーカスの発生が大きく、デフォーカス補正の効果が有効であることは、実施形態１と同様である。
【００７６】
図１０は、本実施形態の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。図９に示した実施形態では、デフォーカスを防止するために、鋸歯形状部を有する凸型の回折光学レンズであるデフォーカス補正素子５を用いているが、図１０に示した実施形態では、いずれも屈折光学素子である凹型のレンズ５ｅと凸型のレンズ４ｂとを組み合わせることにより、色収差をとる構成としたものである。
【００７７】
図１１に示した実施形態は、情報記録媒体、及び対物レンズの構成以外は、図６に示した実施形態と同様の構成である。すなわち、本実施形態においては、対物レンズ４ｂに加えて、レンズ４ｃを有しており、高いＮＡの集光レンズを形成している。また、図６に示した実施形態と同様に、デフォーカス補正素子５ａと球面収差補正素子９ａとが一体化構造になっているので、光学ヘッドの小型化が可能になり、位置合わせも簡単になる。
【００７８】
図１２に示した実施形態は、情報記録媒体、及び対物レンズの構成以外は、図７に示した実施形態と同様の構成である。すなわち、本実施形態においては、対物レンズ４ａに加えて、レンズ４ｃを有しており、高いＮＡの集光レンズを形成している。また、図７に示した実施形態と同様に、デフォーカス補正素子５ｂと対物レンズ４ａとが一体化構造になっているので、光学ヘッドの小型化が可能になり、位置合わせも簡単になる。
【００７９】
（実施の形態５）
次に、実施形態５に係る光学ヘッドについて、図１３を用いて、前記実施形態１と異なる点を中心に説明する。図１３は本発明の実施形態５に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。
【００８０】
本実施形態では、デフォーカス補正素子５ｃとして、段差寸法Ｌ１の階段状の断差を有し、波長λ、前記光学素子の材料の屈折率ｎ、任意の整数ｍに対して、段差寸法Ｌ１が、実質的にＬ１＝ｍλ／（ｎ−１）となるようなアフォーカル光学素子を用いている。
【００８１】
デフォーカス補正素子５ｃは、周囲に行くにしたがって周期が徐々に小さくなる、典型的な回折型レンズのパターン形状を有している。図１３に示したようにデフォーカス補正素子５ｃの断面は階段形状であり、この階段形状の段差寸法Ｌ１は、設計波長が入射した場合、段差Ｌ１に対する光の位相差が実質的に２πの整数倍となるため、設計波長の場合には、何も素子が無いのと等価（このため、アフォーカル光学素子と言われる）であり、設計波長を有する略平行光６はそのまま通過してしまう。
【００８２】
しかし、設計波長から変化した場合には、位相差がずれるので、実施形態３の場合と同じく、平行光が発散光又は収束光となり、対物レンズ４で生じる焦点変動を打ち消す役割を果たす。
【００８３】
図１４は、本実施形態の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。図１４に示した実施形態は、情報記録媒体、及び対物レンズの構成以外は、図１３に示した実施形態と同様の構成である。すなわち、本実施形態においては、対物レンズはレンズ４ｂと４ｃとの２枚構成であり、高いＮＡの集光レンズを形成している。また、図１３に示した実施形態と同様に、デフォーカス補正素子５ｃを有しており、設計波長から変化した場合に、対物レンズで生じる焦点変動を打ち消すことができる。
【００８４】
なお、デフォーカス補正素子５ｃは、図１３、１４に示したように、情報記録媒体１１と立ち上げミラー１２との間の光路中に配置しても良いが、光源１から立ち上げミラー１２との間の光路中に配置しても良い。
【００８５】
（実施の形態６）
次に、実施形態６に係る光学ヘッドについて、図１５を用いて、前記実施形態１と異なる点を中心に説明する。図１５は、実施形態６に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。
【００８６】
本実施形態においては、デフォーカス補正素子５ｄとして、アッベ数の異なる硝材を凸型と凹型のレンズにして組み合わせ（ただし、硝材の屈折率は入射波長が設計波長の場合は実質的に等しい）たアフォーカル光学素子を用いている。この素子の原理は、実施形態５で説明したアフォーカル光学素子と同じである。いずれも屈折光学素子である凸型と凹型の組み合わせレンズで構成することにより、光の損失が少ないという効果がある。
【００８７】
図１６は、本実施形態の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。図１６に示した実施形態は、情報記録媒体、及び対物レンズの構成以外は、図１５に示した実施形態と同様の構成である。すなわち、本実施形態においては、対物レンズはレンズ４ｂと４ｃとの２枚構成であり、高いＮＡの集光レンズを形成している。また、図１５に示した実施形態と同様に、凸型と凹型の組み合わせレンズで構成したデフォーカス補正素子５ｄを有しており、光の損失が少ないという効果が得られる。
【００８８】
デフォーカス補正素子５ｄは、図１５、１６の例では、光源１と立ち上げミラー１２との間の光路中に配置しているが、情報記録媒体１１と立ち上げミラー１２との間の光路中に配置しても良い。光源１と立ち上げミラー１２との間の光路中に配置した場合は、光学ヘッドを高さ方向において薄型化できるという効果がある。
【００８９】
（実施の形態７）
次に、実施形態７に係る光学ヘッドについて、図１７、１８を用いて、前記実施形態１と異なる点を中心に説明する。図１７は本発明の実施形態７に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。
【００９０】
本図に示した例では、フォーカス／トラック誤差信号検出素子８と光源１との間の光路中に、レンズ３ａと、凹型のレンズ１５ａと凸型のレンズ１５ｂとの組み合わせレンズとが直列に配置され、レンズ群１６を形成している。レンズ群１６は、色収差補正を行なうと共に、コリメータレンズを兼ねている。
【００９１】
本実施形態によれば、レンズ群１６は、対物レンズ４ｂ、４ｃだけではなく、コリメータレンズ３も含む光学系全体の色収差を実質的に補正することができる。
このため、対物レンズ４ｂ、４ｃに対する色収差補正手段を別途設ける必要がないので、対物レンズの構成を簡単にでき、光学ヘッドを高さ方向において薄型化できる。
【００９２】
図１８は本実施形態の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図である。本図に示した例では、フォーカス／トラック誤差信号検出素子８と光源１との間の光路中に、レンズ３と、デフォーカス補正素子５とが直列に配置され、レンズ群１７を形成している。本図に示した例においても、図１７に示した例と同様に、レンズ群１７は、色収差補正を行なうと共に、コリメータレンズを兼ねている。
【００９３】
本実施形態によれば、レンズ群１７は、対物レンズ４ｂ、４ｃだけではなく、コリメータレンズ３も含む光学系全体の色収差を実質的に補正することができる。
このため、対物レンズ４ｂ、４ｃに対する色収差補正手段を別途設ける必要がないので、対物レンズの構成を簡単にでき、光学ヘッドを高さ方向において薄型化できる。
【００９４】
以上、実施形態１〜７に係る光学ヘッドについて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、それぞれの実施形態の光学ヘッドの構成を組み合わせた光学ヘッドも本発明に含まれ、同様の効果を奏することができる。
【００９５】
なお、前記実施形態で用いた対物レンズとコリメータレンズは便宜上名付けたものであり、一般にいうレンズと同じである。
【００９６】
また、前記実施形態においては、情報記録媒体として光ディスクを例に挙げて説明したが、同様の情報記録再生装置で厚みや記録密度など複数の仕様の異なる媒体を再生することができるように設計されたカード状やドラム状、テープ状の製品に応用することも本発明の範囲に含まれる。
【００９７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、デフォーカス補正手段と球面収差補正手段の双方を備えているので、光源の波長広がりと光学系の色収差とにより生じる情報記録媒体上の集光スポットのデフォーカスを補正しつつ、合わせて光学系の設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を補正し、さらに必要に応じて情報記録媒体の基材の基準厚みに対する誤差から生じる球面収差を補正し、良好な光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図２】本発明の実施形態１に係る光学ヘッドにおいて対物レンズ等を構成する硝材の屈折率と波長との関係を示すグラフ
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１の光学ヘッドにおけるデフォーカス補正素子の断面
（ｂ）本発明の実施の形態１の光学ヘッドにおけるデフォーカス補正素子の平面面
【図４】本発明の実施の形態１の光学ヘッドにおける球面収差補正素子の構造図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１の光学ヘッドにおいて、入射波長が設計波長の場合における球面収差補正素子の位相分布図
（ｂ）本発明の実施の形態１の光学ヘッドにおいて、入射波長が設計波長に対して増加した場合の球面収差補正素子の位相分布図
（ｃ）本発明の実施の形態１の光学ヘッドにおいて、入射波長が設計波長に対して減少した場合の球面収差補正素子の位相分布図
【図６】本発明の実施形態２に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図７】本発明の実施形態３に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図８】（ａ）本発明の実施形態３に係る光学ヘッドのデフォーカス補正素子を形成した対物レンズの断面図
（ｂ）本発明の実施形態３に係る光学ヘッドのデフォーカス補正素子を形成した対物レンズの平面図
【図９】本発明の実施形態４に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１０】本発明の実施形態４の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１１】本発明の実施形態４の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１２】本発明の実施形態４の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１３】本発明の実施形態５に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１４】本発明の実施形態５の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１５】本発明の実施形態６に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１６】本発明の実施形態６に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１７】本発明の実施形態７に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【図１８】本発明の実施形態７の別の例に係る光学ヘッドの基本構成と光の伝搬の様子を示す側面図
【符号の説明】
１光源
２出射光
３コリメータレンズ
４対物レンズ
５デフォーカス補正手段（デフォーカス補正素子）
６平行光
７収束光
８フォーカス／トラック誤差信号検出素子
９球面収差補正手段（球面収差補正素子）
１０光源・光検出器ユニット
１１情報記録媒体
１２立ち上げミラー
１３透明分割電極
１４鋸歯形状部
１５組み合わせレンズ
１６，１７レンズ群

Claims

光源と、前記光源から出射された光を情報記録媒体に集光する対物レンズと、前記情報記録媒体から反射された光を検出する光検出器とを備え、前記光源と前記情報記録媒体との間の光路中に、デフォーカス補正手段と球面収差補正手段とを具備し、前記球面収差補正手段は、前記デフォーカス補正手段の、設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を、その球面収差量に対応して実質的に補正するとともに、前記情報記録媒体の基材の基準厚みに対する誤差から生じる球面収差も実質的に補正することを特徴とする光学へツド。
前記光源は、波長の半値全幅が実質的に０．３ｎｍ以上の波長広がりがある請求項１に記載の光学ヘッド。
前記波長をλとすると、０．３μｍ≦λ≦０．５μｍの関係を満たす請求項２に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段は、前記光源の波長広がりと前記対物レンズの色収差とにより生じる、前記情報記録媒体上の集光スポットのデフォーカスを実質的に補正する請求項１に記載の光学ヘッド。
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に前記光源から出射した光を実質的に平行光にするコリメータレンズをさらに備え、前記デフォーカス補正手段は、前記光源の波長広がりと、前記対物レンズと前記コリメータレンズとを含む光学系の色収差とにより生じる、前記情報記録媒体上の集光スポットのデフォーカスを実質的に補正する請求項１に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段、及び前記コリメータレンズで形成されたレンズ群によって、前記光源から出射した光を実質的に平行光にし、かつ前記デフォーカスを実質的に補正する請求項５に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段は、回折光学素子である請求項１に記載の光学ヘッド。
前記回折光学素子は、凸型の回折光学レンズである請求項７に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段は、アフォーカル光学素子である請求項１に記載の光学ヘッド。
前記アフォーカル光学素子は、段差寸法Ｌ１の階段状の断差を有し、波長λ、前記光学素子の材料の屈折率ｎ、任意の整数ｍに対して、前記段差寸法Ｌ１が、実質的にＬ１＝ｍλ／（ｎ−１）となる請求項９に記載の光学ヘッド。
前記アフォーカル光学素子は、凸型と凹型の組み合わせレンズである請求項９に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段は、いずれも屈折光学素子である凹型と凸型の組み合わせレンズである請求項１に記載の光学ヘッド。
前記球面収差補正手段は、前記対物レンズの、設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を実質的に補正する請求項１に記載の光学ヘッド。
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に前記光源から出射した光を実質的に平行光にするコリメータレンズをさらに備え、前記球面収差補正手段は、前記対物レンズと前記コリメータレンズとを含む光学系の、設計波長と入射波長との間の波長のずれから生じる球面収差を実質的に補正する請求項１に記載の光学ヘッド。
前記球面収差補正手段は屈折率分布が可変可能である液晶素子で形成されている請求項１に記載の光学ヘッド。
前記液晶素子は半径方向に電気的に分割された４分割以上の領域を有する請求項１５に記載の光学ヘッド。
前記情報記録媒体に集光する集光レンズの開口数を、前記対物レンズと前記デフォーカス補正手段とで分担している請求項１に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段は、凸型の回折光学レンズであり、前記対物レンズの開口数は、前記回折光学レンズの開口数に対して、８倍から２０倍の範囲内である請求項１７に記載の光学ヘッド。
前記対物レンズが２枚以上のレンズで構成されている請求項１７に記載の光学ヘッド。
前記対物レンズの開口数が０．５５以上である請求項１に記載の光学ヘッド。
前記対物レンズが２枚以上のレンズで構成され、開口数が０．６５以上である請求項１に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段と前記球面収差補正手段は一体化されている請求項１に記載の光学ヘッド。
前記デフォーカス補正手段と前記球面収差補正手段のうち、少なくとも一方は前記対物レンズと一体になってアクチュエータで駆動される請求項１に記載の光学ヘッド。