JP4595184B2 - 光ピックアップ装置及び対物レンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ光から出射した光束を対物レンズで光情報記録媒体の透明基板を介して情報記録面に光スポットを形成し、情報を光学的に記録及び／又は再生する光ピックアップ装置に使用されるプラスチック材料からなる対物レンズに関するものであり、特に、第１光情報記録媒体の記録及び／又は再生には波長λ1の第１光源を、第２光情報記録媒体の記録及び／又は再生には波長λ2の第２光源を用い、第１光情報記録媒体の透明基板厚さｔ1と第２光情報記録媒体の透明基板厚さｔ2との違いによって生じる球面収差を回折によって補正する対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、短波長赤色半導体レーザの実用化に伴い、光情報記録媒体として、従来のＣＤ（コンパクトディスク）と同程度の大きさで大容量化させた高密度のＤＶＤ（デジタルヴァーサタイルディスク）が商品化されている。このＤＶＤに情報を記録又は再生する際には、６３５ｎｍ若しくは６５０ｎｍの短波長半導体レーザと、かつ開口数（ＮＡ）約０．６の対物レンズを必要とする。
【０００３】
また、書き込み可能な光情報記録媒体であるＣＤ−Ｒ（追記型コンパクトディスク）の普及に伴い、光ピックアップ装置として、このＣＤ−ＲとＤＶＤ双方に対して情報を記録及び／又は再生が行える、いわゆる情報記録媒体の互換性をも要求されている。しかるに、このＣＤ−Ｒの反射率が短波長側では低下し、必要とする信号（再生信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号）が得られないので、これらＣＤ−Ｒには７８０ｎｍの半導体レーザが、ＤＶＤ用の短波長半導体レーザとは別途用意されている。なお、ＣＤ−Ｒ（以下、ＣＤともいう）の情報記録及び／又は再生には、対物レンズのＮＡは約０．４５であることが必要とされる。なお、本明細書でいう必要開口数とは、光情報記録媒体上で要求されるスポットサイズｄと使用波長λとから算出される開口数であり、一般的にはＮＡ＝０．８３λ／ｄで表すことが出来る。
【０００４】
これらの光情報記録媒体の情報記録面は、透明基板によって保護されていて、透明基板の厚さは各光情報記録媒体の規格によって定められており、それぞれＤＶＤでは０．６ｍｍ、ＣＤ系では１．２ｍｍである。互換性を考慮しないのであれば、これら各々の透明基板厚さに対してピックアップ光学系の球面収差を最適設計すれば良い。しかし、透明基板厚さの異なるＤＶＤとＣＤとの互換を実現させるには、前述の球面収差補正に関して何らかの手段が必要となる。
【０００５】
例えば、特開２０００−８１５６６公報には、この球面収差補正手段の例として、使用波長がＤＶＤとＣＤとで異なる光ピックアップ装置において、回折光を利用した対物レンズが記載されている。回折レンズのパワーは、母非球面である屈折部のパワーと回折部分のパワーとに分割できる。すわなち回折作用を導入することで単レンズでありながら設計自由度が増える。また、回折部分ではパワーが波長に対して比例するという屈折光学系と異なる作用を持っている。これら回折部と屈折部のパワーを適切に配分することで球面収差補正の両立が可能となる。
【０００６】
しかしＣＤに対する情報記録及び／又は再生時には、必要開口数ＮＡ2＝０．４５の外側領域についても球面収差補正してしまうとスポット光が絞られすぎてしまう。よって、ＤＶＤとＣＤの共通の開口大きさを持つ絞りを使用するためには、ＮＡ2＝０．４５の外側領域はＣＤ使用時にフレアーとする球面収差設計を行わなくてはならない。このように、ＤＶＤとＣＤとの双方に対して適切に光束を収束できる、いわゆる回折互換レンズでは、違った思想から光学設計が行われた回折面を繋ぎ合せることで、１つの対物レンズ及び１つの簡素な開口絞りで光ピックアップ装置が構成可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に回折レンズでは、上でも述べたように回折部分パワーと回折ベース面の屈折部分パワーとの和で表される。この時、プラスチック材料で回折レンズを構成する場合には、温度特性と波長特性とが相反する特性が見うけられる。以下この理由について説明する。
【０００８】
例えば回折レンズが温度上昇した場合を考える。温度上昇によりレーザー波長が長くなるので回折部分ではオーバーの球面収差が発生するが、ベース屈折部分は温度上昇に伴う屈折率低下によりアンダーの球面収差が発生し、屈折部分と回折部分とでキャンセルする方向の球面収差が発生する。従って、温度補償する場合には屈折部分と回折部分とで発生する球面収差の絶対値を近づければ良い。一方、単純にレーザー発振波長バラツキにより長波長側にシフトした場合には、回折部分ではオーバーの球面収差が発生するが回折部分での色収差はそれに対しては小さく、結果として回折部分のオーバーの球面収差成分がキャンセルされずに残ってしまうのである。つまり、波長特性をあるレベル以上に改善しようとすると温度特性が悪化し始め、温度特性をあるレベル以上に改善しようとすると波長特性が悪化し始める傾向があり、双方のバランスをとる必要がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、回折を用いた互換対物レンズにおいて、ＤＶＤ／ＣＤの互換性は元より、温度特性を考慮した対物レンズ及び波長特性を考慮した対物レンズ、更にこれらのバランスがとれた対物レンズ、またこれら対物レンズを用いた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の対物レンズは、ＤＶＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長６４０ｎｍ＜λ 1 ＜６７０ｎｍの第１光源と、ＣＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長７７０ｎｍ＜λ 2 ＜７９５ｎｍである第２光源と、前記第１及び前記第２光源から出射された光束を、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤの透明基板を介して情報記録面に集光させる単一のプラスチック材料から形成される対物レンズを含む集光光学系と、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤ共通の開口大きさである絞りとを有し、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に用いる対物レンズにおいて、前記対物レンズの少なくとも１面には、同心円状の回折面が有効径内に設けられると共に、回折ピッチが光軸から周辺に向かって徐々に小さくなるが、ある位置ｈで回折ピッチが増加する回折部が存在し、前記ＤＶＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、前記回折部を通過した光束は、前記有効径内で回折限界以下に収差補正され、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、行きの光学系において、前記回折部において前記ある位置ｈで段差量が７μｍ以上４０μｍ以下の球面収差の不連続部分以内の領域を通る光束は、回折限界以下に収差補正され、なお且つ前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、前記絞り最外部を通過する光線の球面収差量が２７μｍ以上３６μｍ以下であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１１】
請求項２に記載の対物レンズは、前記回折部は、回折の母非球面が連続であるので同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１２】
請求項３に記載の対物レンズは、前記回折部は、回折の母非球面が不連続であるので同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部及び母非球面の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に波長特性を良好に確保できる。
【００１３】
請求項４に記載の対物レンズは、前記ある位置ｈは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときの前記対物レンズの焦点距離をｆ 2 、前記ＣＤにおける必要開口数をＮＡ 2 とした場合に、ｆ 2 （ＮＡ 2 −０．０３）ｍｍ≦ｈ≦ｆ 2 （ＮＡ 2 ＋０．０３）ｍｍを満たすので、光束のスポットサイズを確保できる。すなわち前記ある位置ｈがｆ ２ （ＮＡ ２ −０．０３）ｍｍ以上であれば、前記ＣＤに関して解像力を確保でき、一方、ｆ ２ （ＮＡ ２ ＋０．０３）ｍｍ以下であれば、前記ＣＤの傾き誤差に対するマージンを確保できる。
【００１４】
請求項５に記載の対物レンズは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、球面収差の不連続部分から前記絞り最外部へ向かって球面収差が単調に変化することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の光ピックアップ装置は、ＤＶＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長６４０ｎｍ＜λ 1 ＜６７０ｎｍの第１光源と、ＣＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長７７０ｎｍ＜λ 2 ＜７９５ｎｍである第２光源と、前記第１及び前記第２光源から出射された光束を、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤの透明基板を介して情報記録面に集光させる単一のプラスチック材料から形成される対物レンズを含む集光光学系と、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤ共通の開口大きさである絞りとを有し、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置において、前記対物レンズの少なくとも１面には、同心円状の回折面が有効径内に設けられると共に、回折ピッチが光軸から周辺に向かって徐々に小さくなるが、ある位置ｈで回折ピッチが増加する回折部が存在し、前記ＤＶＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、前記回折部を通過した光束は、前記有効径内で回折限界以下に収差補正され、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、行きの光学系において、前記回折部において前記ある位置ｈで段差量が７μｍ以上４０μｍ以下の球面収差の不連続部分以内の領域を通る光束は、回折限界以下に収差補正され、なお且つ前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、前記絞り最外部を通過する光線の球面収差量が２７μｍ以上３６μｍ以下であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１６】
請求項７に記載の光ピックアップ装置は、前記回折部は、回折の母非球面が連続であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１７】
請求項８に記載の光ピックアップ装置は、前記回折部は、回折の母非球面が不連続であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部及び母非球面の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に波長特性を良好に確保できる。
【００１８】
請求項９に記載の光ピックアップ装置は、前記ある位置ｈは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときの前記対物レンズの焦点距離をｆ2、前記ＣＤにおける必要開口数をＮＡ2とした場合に、ｆ2（ＮＡ2−０．０３）ｍｍ≦ｈ≦ｆ2（ＮＡ2＋０．０３）ｍｍを満たすので、光束のスポットサイズを確保できる。すなわち前記ある位置ｈがｆ ２ （ＮＡ ２ −０．０３）ｍｍ以上であれば、前記ＣＤに関して解像力を確保でき、一方、ｆ ２ （ＮＡ ２ ＋０．０３）ｍｍ以下であれば、前記ＣＤの傾き誤差に対するマージンを確保できる。
【００１９】
請求項１０に記載の光ピックアップ装置は、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、球面収差の不連続部分から前記絞り最外部へ向かって球面収差が単調に変化することを特徴とする。
【００３６】
本明細書中で用いる回折部とは、レンズの表面に、レリーフを設けて、回折によって光束を集光あるいは発散させる作用を持たせた部分のことをいう。レリーフの形状としては、例えば、レンズの表面に、光軸を中心とする略同心円状の輪帯として形成され、光軸を含む平面でその断面をみれば各輪帯は鋸歯のような形状が知られているが、そのような形状を含むものである。
【００３７】
本明細書中において、対物レンズとは、狭義に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レンズを指し、広義にはそのレンズと共に、アクチュエータによって少なくともその光軸方向に作動可能なレンズ群を指すものとする。ここで、かかるレンズ群とは、少なくとも１枚以上（例えば２枚）のレンズを指すものである。従って、本明細書中において、対物レンズの光情報記録媒体側（像側）の開口数ＮＡとは、対物レンズの最も光情報記録媒体側に位置するレンズ面の開口数ＮＡを指すものである。また、本明細書中では必要開口数ＮＡは、それぞれの光情報記録媒体の規格で規定されている開口数、あるいはそれぞれの光情報記録媒体に対して、使用する光源の波長に応じ、情報の記録または再生をするために必要なスポット径を得ることができる回折限界性能の対物レンズの開口数を示す。
【００３８】
本明細書中において、第２の光情報記録媒体とは、例えば、CD-R, CD-RW, CD-Video, CD-ROM等の各種ＣＤ系の光ディスクをいい、第１の光情報記録媒体とは、DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-R, DVD-RW,DVD-Video等の各種ＤＶＤ系の光ディスクを意味するものである。更に、本明細書中で透明基板厚ｔといった時は、ｔ＝０を含むものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる対物レンズを含む光ピックアップ装置の概略構成図である。本実施の形態では、透明基板の厚さｔ1の第１光情報記録媒体１０（以下ＤＶＤともいう）と、厚さｔ1とは異なる透明基板の厚さｔ2を有する第２光情報記録媒体１０’（以下ＣＤともいう）とに対して情報を記録及び／又は再生する光ピックアップ装置に使用される対物レンズを説明する。ここでは、透明基板の厚さがそれぞれｔ1＝０．６ｍｍ、ｔ2＝１．２ｍｍであり、対物レンズの必要開口数はＤＶＤではＮＡ1＝０．６０、ＣＤではＮＡ2＝０．４５である。
【００４１】
光ピックアップ装置は、光源としてＤＶＤ１０用の第１光源としての第１半導体レーザ１（波長λ1＝６１０ｎｍ〜６７０ｎｍ）と、ＣＤ１０’用の第２光源としての半導体レーザ２（波長λ2＝７４０ｎｍ〜８７０ｎｍ）とを有している。これら第１半導体レーザ１、第２半導体レーザ２は、情報再生／記録すべき光情報記録媒体１０，１０’に応じて選択的に使用される。また、合成手段３は、第1半導体レーザ１から出射された光束と、第2半導体レーザ２から出射された光束とを合成することが可能な手段である。
【００４２】
まず、透明基板厚さｔ1であるＤＶＤ１０を再生する場合、第１半導体レーザ１から光束を出射し、出射された光束は、合成手段３、偏光光束スプリッタ４、コリメータレンズ５、１／４波長板６を透過して円偏光の平行光束となる。この光束は絞り７によって絞られ、対物レンズ８によりＤＶＤ１０の透明基板１０ｂを介して情報記録面１０ａ上に集光される。情報記録面１０ａの情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ８、１／４波長板６、コリメータレンズ５を透過して偏光光束スプリッタ４に入射し、ここで反射されシリンドリカルレンズ１１により非点収差が与えられ受光素子である光検出器１２に入射し、光検出器１２から出力される信号を用いてＤＶＤ１０に記録された情報の読みとり信号が得られる。
【００４３】
光検出器１２上でのスポットの形状変化による光量分布変化を検出して、合焦検出やトラック検出が行われる。この検出に基づいて２次元アクチュエータ９が第１半導体レーザから１の光をＤＶＤ１０の情報記録面１０ａ上に結像するように対物レンズ８を移動させるとともに、第１半導体レーザ１からの光を所定のトラックに結像するように対物レンズ８を移動させる。
【００４４】
一方、透明基板厚さｔ2（ｔ1＜ｔ2）であるＣＤ１０’を再生する場合、第２半導体レーザ２から光束を出射し、出射された光束は合成手段３により光路を変更され、偏光光束スプリッタ４、コリメータレンズ５、１／４波長板６、第１光情報記録媒体（ＤＶＤ）１０と共通の開口大きさの絞り７、対物レンズ８を介してＣＤ１０’の透明基板１０ｂ’を介して情報記録面１０ａ’上に集光される。情報記録面１０ａ’の情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ８、１／４波長板６、コリメータレンズ５、偏光光束スプリッタ４、シリンドリカルレンズ１１を介して光検出器１２に入射し、光検出器１２から出力される信号を用いてＣＤ１０’に記録された情報の読みとり信号が得られる。
【００４５】
光検出器１２上でのスポットの形状変化による光量分布変化を検出して、合焦検出やトラック検出が行われる。この検出に基づいて２次元アクチュエータ９が第２半導体レーザ２からの光をＣＤ１０’の情報記録面１０ａ’上に結像するように対物レンズ８を移動させるとともに、第２半導体レーザ２からの光を所定のトラックに結像するように対物レンズ８を移動させる。尚、再生だけでなく光情報記録媒体１０，１０’に情報を記録する際も、ほぼ同様の動作をする。
【００４６】
本実施の形態の対物レンズ８は、上記のようにＤＶＤ／ＣＤの共通の開口大きさ絞り７を介して、各々の半導体レーザ１，２からの光束を各光情報記録媒体１０，１０’の情報記録面１０ａ、１０ａ’上に集光する。
【００４７】
図２は、本実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。一点鎖点は光軸を示している。この対物レンズ８の光源側の面Ｓ１は、光軸を中心とする同心円状の回折面８ｂで構成されている。また、光情報記録媒体側の屈折面Ｓ２は非球面形状を呈しており、全体として正のパワーを有する凸レンズである。回折部８ａのピッチは光軸からある位置ｈまで単調に減少し、ある位置ｈの両隣で、回折面８ｂのピッチが一旦増加する。そしてある位置ｈから周辺に向かって更に減少している。
【００４８】
更に、ＤＶＤとＣＤとでは対物レンズ８の必要開口数が異なるため、先に述べたように共通の開口大きさの絞り７を使用する場合には、専用領域と共有領域とでは異なった観点から設計を行う必要がある。図３は、これら専用領域及び共有領域の概念を示す図である。ＣＤの情報記録及び／又は再生時に要求されるＮＡ2０．４５近辺で専用領域と共有領域との境界が存在し、専用領域の外側の光線がＤＶＤの情報記録及び／又は再生時に要求されるＮＡ1０．６０相当である。
【００４９】
概略としてはＮＡ1＝ｓｉｎθ１、ＮＡ2＝ｓｉｎθ２である。本発明で言う球面収差の不連続部分が、この境界部分に相当する。また、絞り最外部の光線とはＤＶＤでのＮＡ＝０．６０光線に相当する。
【００５０】
本実施の形態では、ＤＶＤでは、共有領域及び専用領域を通る光束のトータルの球面収差補正を行う。ＣＤでは共有領域を通る光束に対して球面収差補正を行っている。尚、本実施の形態では回折面の母非球面がこの境界部分において、ほぼ連続に設計されている。母非球面については後述する。
【００５１】
母非球面を不連続にする設計については、第２の実施の形態で説明する。本明細書内の回折限界以下とはトータルの波面収差がマレシャルの限界値である０．０７λｒｍｓ以下を指すものとする。さらに半導体レーザからの光束が光情報記録媒体の情報記録面に集光するまでを、「行きの光学系」と呼ぶことにする。
【００５２】
ここでＣＤの場合には、図３にもあるように、共有領域を通る光束を利用して光スポットを形成して、専用領域を通る光束はフレアーとしており活用している訳ではない。しかしながら、本発明者らは、ＤＶＤにおける波長特性と温度特性とのバランスを考慮する場合には、ＣＤにおけるフレアー成分の出し方を設計上考慮する必要がある事を見出した。これらについて次の図面を用いて説明する。
【００５３】
図５はＣＤ使用時のフレアーの形成の手法を変えた場合の例を表しており、それぞれの設計例について温度変化による球面収差変化及び波長変化による球面収差変化をプロットしたものである。（本明細書内では温度変化時のシミュレーション条件とは、温度変化δＴ＝＋３０℃、波長変化δλ＝＋６ｎｍを指し、同様に波長特性とは、波長変化δλ＝；１０ｎｍ（温度変化δＴ＝０℃）を指すものとする。）
【００５４】
ＣＤ最外部における球面収差量について言えば、ＣＤの情報の記録又は再生時におけるフレアー量が少ないほどＤＶＤ温度特性が良くなる傾向がある。しかし、ＤＶＤ波長特性を考えると、ＣＤの情報の記録又は再生時におけるフレアー量が多くなる方が良くなる傾向がある。同様に、球面収差の不連続量について見ると、温度特性と波長特性とが相反する特性となり、温度特性と波長特性とのバランスを考慮すると、これら近似回帰直線の交点付近のフレアー量設計とすることが好ましい。
【００５５】
上記のようにこれらのフレアー量を適切に設定することで、ＤＶＤとＣＤとの互換性を確保しつつ、ＤＶＤにおける温度特性を向上させたもの、又は波長特性を向上させたもの、或いはＤＶＤにおける波長特性と温度特性との両立が可能となる。
【００５６】
なお本発明は本実施の形態に限定されるものではない。ＤＶＤとして必要開口数ＮＡ1＝０．６０、ＣＤの必要開口数ＮＡ2＝０．４５相当における光ピックアップ装置用の対物レンズを紹介したが、これ以外の互換についても共有領域、専用領域それぞれを適切に設計すれば良い。この場合にも、ＣＤ系の光スポット形成は、共有領域部分を通った光束を活用し専用領域を通る光束をフレアーとするのであるが、ＤＶＤ系の温度特性と波長特性とを両立させるため、切り替え位置におけるフレアー出し量及びＤＶＤの最周辺部分の光線フレアー量に着目すれば良い。この場合切り替え位置における球面収差の不連続量を設計により振って、波長特性と温度特性とのバランスを確保することができる。
【００５７】
また、共有領域、専用領域の全面を光軸と同心円状の回折面としたが、これに限らず一部輪帯を屈折輪帯で構成しても同様である。更に、光源としてＤＶＤ／ＣＤ用の別体の半導体レーザの光束を、単一の対物レンズに入射させる例について説明したが、近年開発された２つの発光点がワンチップ化された光源にも適用可能である。
【００５８】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態との大きな違いは境界部分における回折面の母非球面を不連続にしたことである。それ以外は、上述したものと同様であるので、重複箇所については説明を省略する。
【００５９】
図７は本実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。この対物レンズ８’の光源側の面Ｓ１は、光軸を同心円状とする回折面８ｂ’で構成されている。また、光情報記録媒体側の屈折面Ｓ２は非球面形状を呈しており、全体として正のパワーを有する凸レンズである。回折部８ａ’のピッチは光軸からある位置ｈまで単調に減少し、ある位置ｈの両隣でピッチが一旦増加する。そしてある位置ｈから周辺に向かって更に減少している。そして、回折面８ｂ’の母非球面はある位置ｈで不連続となるように設計されている。また、段差δをある位置ｈの外側でレンズ厚さが薄くなる方向に設けている。このような母非球面の段差δを設けることで波長特性、温度特性に対して強い対物レンズ８’とすることが出来る。後述する表４において、母非球面の段差量と球面収差の変化量との関係が示されている。
【００６０】
図７にもあるように、回折面の母非球面に段差δを設けているため、回折面８ｂ’の切り替え部（光軸からある位置ｈのところ）においても段差が存在する。段差は図７において外側が薄くなる方向に設ける方が波長特性、温度特性の向上に対して有効であった。
【００６１】
本実施の形態においても、ある位置ｈはＣＤの必要開口数ＮＡ2付近に設定することが好ましく、これよりも高い位置に設けてしまうとＣＤスポットサイズが小さくなるもののディスクティルト誤差に対するマージンが少なくなってしまう。逆に低い位置にｈを設定するとＣＤの解像力が不足してしまい好ましくない。
【００６２】
更に、図７にもあるようにＣＤの専用領域の球面収差は、上に凸の曲線状の球面収差としている。こうすることで、ＣＤのスポット光のピーク強度を高めることが出来る。
【００６３】
本実施の形態でも第１の実施の形態と同様に、第２光情報記録媒体（ＣＤ）１０’に対する情報記録及び／又は再生時における球面収差の不連続部分の段差量及び、第２光情報記録媒体１０’に対する情報記録及び／又は再生時におけるＮＡ1相当の光線の球面収差量を制御することで波長特性のより好ましい対物レンズ、又は温度特性のより好ましい対物レンズ、更にまた、それらのバランスのとれた対物レンズを得ることが可能となることは言うまでもない。
【００６４】
（実施例）
以下、上述した実施の形態の光ピックアップ装置に用いられると好適な対物レンズの実施例について説明する。
【００６５】
（実施例１）
本実施例は上述した第１の実施の形態の実施例である。
一般に回折面の回折輪帯ピッチは、位相差関数もしくは光路差関数を使って定義される。具体的には、位相差関数Φｂは単位をラジアンとして以下の［数１］で表され、光路差関数ΦＢは単位をｍｍとして［数２］で表される。
【数１】
【数２】
【００６６】
これら２つの表現方法は、単位は異なるが、回折輪帯のピッチを表す意味では同等である。即ち、主波長λ（単位ｍｍ）に対し、位相差関数の係数ｂにλ／２πを掛ければ光路差関数の係数Ｂに換算でき、また逆に光路差関数の係数Ｂをλ／２πで割れば位相差関数の係数ｂに換算できる。
【００６７】
上記の定義を基にした場合、位相差関数もしくは光路差関数の２次係数を零でない値にすることにより、レンズにパワーを持たせることができる。また、位相差関数もしくは光路差関数の２次以外の係数、例えば、４次係数、６次係数、８次係数、１０次係数等を零でない値とすることにより、球面収差を制御できる。ここで制御するということは、屈折部分が有する球面収差を回折部分で逆の球面収差を持たせトータルとして球面収差を補正したり、回折部分の球面収差を操作してトータルの球面収差を所望のフレアー量にすることを意味する。
【００６８】
そして、少なくとも一方の面に上記回折面を形成すると共に、次の［数３］で表される非球面形状を有している。
【数３】
ただし、Ｚは光軸方向の軸、ｈは光軸と垂直方向の軸（光軸からの高さ：光の進行方向を正とする）、Ｒ０は近軸曲率半径、κは円錐係数、Ａは非球面係数、Ｐは非球面のべき数である。
【００６９】
ＤＶＤにおいては、基準設計波長λ1＝６５５ｎｍ、基準温度Ｔ＝２５℃、焦点距離ｆ＝３．３６ｍｍ、開口数ＮＡ1＝０．６０、光情報記録媒体の透明基板の厚さｔ1＝０．６ｍｍである。またＣＤにおいては、基準設計波長λ2＝７８５ｎｍ、光情報記録媒体の透明基板の厚さｔ2＝１．２ｍｍである。
【００７０】
また、半導体レーザは使用環境温度が変化するとレーザの波長も変化する特性を有する。以下に述べる本実施例では、半導体レーザの温度による波長変化が０．２ｎｍ／℃としている。そして、本明細書内の温度特性とは、使用環境温度変化時を想定しており、光源の波長変化及び温度変化とを含んだものとする。又、波長特性とは、使用環境温度の変化なしを想定しており、光源の波長変化だけの影響を含むものとする。
【００７１】
対物レンズ材料であるプラスチック材はオレフィン系樹脂であり、これも温度変化に伴い屈折率が変化してδｎ／δＴ＝約３×Ｅ−５である。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）おいて、１０のべき乗数（例えば ２．５×１０-3）を、Ｅ（例えば ２．５×Ｅ―３）を用いて表している。
【００７２】
表１に対物レンズデータを示す。ｉは面番号を示し、ｉ＝１が絞りである。また対物レンズのレーザ側の面には回折面が形成され、ｉ＝２が共有領域におけるデータ、ｉ＝２’が専用領域におけるデータである。ｉ＝４、５は光情報記録媒体を示している。ｈは光軸からの高さを示し、専用領域内及び共有領域内はそれぞれの光路差関数、非球面係数は１つで表される。また、特許請求の範囲内の「ある位置ｈ」とは、領域の切り替え位置を指しており、本実施例ではｈ＝１．５８８５ｍｍである。図４がＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。
【表１】
【００７３】
表２に、本実施例における、ＣＤ使用時において切り替え位置における球面収差段差量とＮＡ１相当光線の球面収差量、及び温度変化時波長変化時の球面収差の変化量を示している。参考のため、図５に示した設計例における各特性を記載した。図６にＤＶＤ／ＣＤそれぞれの光情報記録媒体上でのスポットプロファイルを示しており、必要開口数に相当したスポット径が得られていることが確認できる。
【表２】
【００７４】
（実施例２）
本実施例は上述した第２の実施の形態の実施例である。
表３に対物レンズデータを示す。ｉは面番号を示し、ｉ＝１が絞りである。また対物レンズのレーザ側の面には回折面が形成され、ｉ＝２が共有領域におけるデータ、ｉ＝２’が専用領域におけるデータである。ｉ＝４、５は光情報記録媒体を示している。また、特許請求の範囲内の「ある位置ｈ」とは、領域の切り替え位置を指しており、本実施例ではｈ＝１．０９５１ｍｍである。また回折面の母非球面のある位置ｈにおける段差量δは４．１μｍであり、回折実形状に変更した場合の段差量は２．６μｍである。このような設定にしてもＤＶＤにおける球面収差の不連続量は、実施例１と同程度に収差補正することは可能であり、実使用上は問題ない。本実施例と比較例との球面収差の差異を表４に示す。
【表３】
【表４】
【００７５】
図８がＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。また、図９に情報記録面上のスポットプロファイルを示しており、本実施例においても必要開口数に相当したスポット径が得られていることが確認できる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ピックアップ装置の雰囲気温度が変化してレーザー発振波長変動及び対物レンズ材料屈折率変動が変化した場合に対しても、あるいは、単純にレーザー発振波長がシフトした場合に対しても球面収差劣化のバランスが取れた、即ち誤差要因に対して強い対物レンズ、及びその対物レンズを備えた光ピックアップ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる対物レンズを含む光ピックアップ装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。
【図３】専用領域及び共有領域の概念を示す図である。
【図４】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。
【図５】ＣＤ使用時のフレアーの形成の手法を変えた場合の例を示す図である。
【図６】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれの光情報記録媒体上でのスポットプロファイルを示す図である。
【図７】第２の実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。
【図８】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。
【図９】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれの光情報記録媒体上でのスポットプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の半導体レーザ
２ 第２の半導体レーザ
３ 合成手段
４ 偏向光束スプリッタ
５ コリメータレンズ
６ １／４波長板
７ 絞り
８ 対物レンズ
９ ２次元アクチュエータ
１０ 第１光情報記録媒体（ＤＶＤ）
１０’第２光情報記録媒体（ＣＤ）
１１ シリンドリカルレンズ
１２ 光検出器
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ光から出射した光束を対物レンズで光情報記録媒体の透明基板を介して情報記録面に光スポットを形成し、情報を光学的に記録及び／又は再生する光ピックアップ装置に使用されるプラスチック材料からなる対物レンズに関するものであり、特に、第１光情報記録媒体の記録及び／又は再生には波長λ1の第１光源を、第２光情報記録媒体の記録及び／又は再生には波長λ2の第２光源を用い、第１光情報記録媒体の透明基板厚さｔ1と第２光情報記録媒体の透明基板厚さｔ2との違いによって生じる球面収差を回折によって補正する対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、短波長赤色半導体レーザの実用化に伴い、光情報記録媒体として、従来のＣＤ（コンパクトディスク）と同程度の大きさで大容量化させた高密度のＤＶＤ（デジタルヴァーサタイルディスク）が商品化されている。このＤＶＤに情報を記録又は再生する際には、６３５ｎｍ若しくは６５０ｎｍの短波長半導体レーザと、かつ開口数（ＮＡ）約０．６の対物レンズを必要とする。
【０００３】
また、書き込み可能な光情報記録媒体であるＣＤ−Ｒ（追記型コンパクトディスク）の普及に伴い、光ピックアップ装置として、このＣＤ−ＲとＤＶＤ双方に対して情報を記録及び／又は再生が行える、いわゆる情報記録媒体の互換性をも要求されている。しかるに、このＣＤ−Ｒの反射率が短波長側では低下し、必要とする信号（再生信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号）が得られないので、これらＣＤ−Ｒには７８０ｎｍの半導体レーザが、ＤＶＤ用の短波長半導体レーザとは別途用意されている。なお、ＣＤ−Ｒ（以下、ＣＤともいう）の情報記録及び／又は再生には、対物レンズのＮＡは約０．４５であることが必要とされる。なお、本明細書でいう必要開口数とは、光情報記録媒体上で要求されるスポットサイズｄと使用波長λとから算出される開口数であり、一般的にはＮＡ＝０．８３λ／ｄで表すことが出来る。
【０００４】
これらの光情報記録媒体の情報記録面は、透明基板によって保護されていて、透明基板の厚さは各光情報記録媒体の規格によって定められており、それぞれＤＶＤでは０．６ｍｍ、ＣＤ系では１．２ｍｍである。互換性を考慮しないのであれば、これら各々の透明基板厚さに対してピックアップ光学系の球面収差を最適設計すれば良い。しかし、透明基板厚さの異なるＤＶＤとＣＤとの互換を実現させるには、前述の球面収差補正に関して何らかの手段が必要となる。
【０００５】
例えば、特開２０００−８１５６６公報には、この球面収差補正手段の例として、使用波長がＤＶＤとＣＤとで異なる光ピックアップ装置において、回折光を利用した対物レンズが記載されている。回折レンズのパワーは、母非球面である屈折部のパワーと回折部分のパワーとに分割できる。すわなち回折作用を導入することで単レンズでありながら設計自由度が増える。また、回折部分ではパワーが波長に対して比例するという屈折光学系と異なる作用を持っている。これら回折部と屈折部のパワーを適切に配分することで球面収差補正の両立が可能となる。
【０００６】
しかしＣＤに対する情報記録及び／又は再生時には、必要開口数ＮＡ2＝０．４５の外側領域についても球面収差補正してしまうとスポット光が絞られすぎてしまう。よって、ＤＶＤとＣＤの共通の開口大きさを持つ絞りを使用するためには、ＮＡ2＝０．４５の外側領域はＣＤ使用時にフレアーとする球面収差設計を行わなくてはならない。このように、ＤＶＤとＣＤとの双方に対して適切に光束を収束できる、いわゆる回折互換レンズでは、違った思想から光学設計が行われた回折面を繋ぎ合せることで、１つの対物レンズ及び１つの簡素な開口絞りで光ピックアップ装置が構成可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に回折レンズでは、上でも述べたように回折部分パワーと回折ベース面の屈折部分パワーとの和で表される。この時、プラスチック材料で回折レンズを構成する場合には、温度特性と波長特性とが相反する特性が見うけられる。以下この理由について説明する。
【０００８】
例えば回折レンズが温度上昇した場合を考える。温度上昇によりレーザー波長が長くなるので回折部分ではオーバーの球面収差が発生するが、ベース屈折部分は温度上昇に伴う屈折率低下によりアンダーの球面収差が発生し、屈折部分と回折部分とでキャンセルする方向の球面収差が発生する。従って、温度補償する場合には屈折部分と回折部分とで発生する球面収差の絶対値を近づければ良い。一方、単純にレーザー発振波長バラツキにより長波長側にシフトした場合には、回折部分ではオーバーの球面収差が発生するが回折部分での色収差はそれに対しては小さく、結果として回折部分のオーバーの球面収差成分がキャンセルされずに残ってしまうのである。つまり、波長特性をあるレベル以上に改善しようとすると温度特性が悪化し始め、温度特性をあるレベル以上に改善しようとすると波長特性が悪化し始める傾向があり、双方のバランスをとる必要がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、回折を用いた互換対物レンズにおいて、ＤＶＤ／ＣＤの互換性は元より、温度特性を考慮した対物レンズ及び波長特性を考慮した対物レンズ、更にこれらのバランスがとれた対物レンズ、またこれら対物レンズを用いた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の対物レンズは、ＤＶＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長６４０ｎｍ＜λ 1 ＜６７０ｎｍの第１光源と、ＣＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長７７０ｎｍ＜λ 2 ＜７９５ｎｍである第２光源と、前記第１及び前記第２光源から出射された光束を、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤの透明基板を介して情報記録面に集光させる単一のプラスチック材料から形成される対物レンズを含む集光光学系と、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤ共通の開口大きさである絞りとを有し、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に用いる対物レンズにおいて、前記対物レンズの少なくとも１面には、同心円状の回折面が有効径内に設けられると共に、回折ピッチが光軸から周辺に向かって徐々に小さくなるが、ある位置ｈで回折ピッチが増加する回折部が存在し、前記ＤＶＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、前記回折部を通過した光束は、前記有効径内で回折限界以下に収差補正され、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、行きの光学系において、前記回折部において前記ある位置ｈで段差量が７μｍ以上４０μｍ以下の球面収差の不連続部分以内の領域を通る光束は、回折限界以下に収差補正され、なお且つ前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、前記絞り最外部を通過する光線の球面収差量が２７μｍ以上３６μｍ以下であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１１】
請求項２に記載の対物レンズは、前記回折部は、回折の母非球面が連続であるので同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１２】
請求項３に記載の対物レンズは、前記回折部は、回折の母非球面が不連続であるので同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部及び母非球面の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に波長特性を良好に確保できる。
【００１３】
請求項４に記載の対物レンズは、前記ある位置ｈは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときの前記対物レンズの焦点距離をｆ 2 、前記ＣＤにおける必要開口数をＮＡ 2 とした場合に、ｆ 2 （ＮＡ 2 −０．０３）ｍｍ≦ｈ≦ｆ 2 （ＮＡ 2 ＋０．０３）ｍｍを満たすので、光束のスポットサイズを確保できる。すなわち前記ある位置ｈがｆ ２ （ＮＡ ２ −０．０３）ｍｍ以上であれば、前記ＣＤに関して解像力を確保でき、一方、ｆ ２ （ＮＡ ２ ＋０．０３）ｍｍ以下であれば、前記ＣＤの傾き誤差に対するマージンを確保できる。
【００１４】
請求項５に記載の対物レンズは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、球面収差の不連続部分から前記絞り最外部へ向かって球面収差が単調に変化することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の光ピックアップ装置は、ＤＶＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長６４０ｎｍ＜λ 1 ＜６７０ｎｍの第１光源と、ＣＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長７７０ｎｍ＜λ 2 ＜７９５ｎｍである第２光源と、前記第１及び前記第２光源から出射された光束を、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤの透明基板を介して情報記録面に集光させる単一のプラスチック材料から形成される対物レンズを含む集光光学系と、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤ共通の開口大きさである絞りとを有し、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置において、前記対物レンズの少なくとも１面には、同心円状の回折面が有効径内に設けられると共に、回折ピッチが光軸から周辺に向かって徐々に小さくなるが、ある位置ｈで回折ピッチが増加する回折部が存在し、前記ＤＶＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、前記回折部を通過した光束は、前記有効径内で回折限界以下に収差補正され、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、行きの光学系において、前記回折部において前記ある位置ｈで段差量が７μｍ以上４０μｍ以下の球面収差の不連続部分以内の領域を通る光束は、回折限界以下に収差補正され、なお且つ前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、前記絞り最外部を通過する光線の球面収差量が２７μｍ以上３６μｍ以下であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１６】
請求項７に記載の光ピックアップ装置は、前記回折部は、回折の母非球面が連続であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に温度特性を良好に確保できる。
【００１７】
請求項８に記載の光ピックアップ装置は、前記回折部は、回折の母非球面が不連続であるので、同一の対物レンズを用いて、異なる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、前記回折部及び母非球面の不連続構成によってフレアー量を適切に調整でき、特に波長特性を良好に確保できる。
【００１８】
請求項９に記載の光ピックアップ装置は、前記ある位置ｈは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときの前記対物レンズの焦点距離をｆ2、前記ＣＤにおける必要開口数をＮＡ2とした場合に、ｆ2（ＮＡ2−０．０３）ｍｍ≦ｈ≦ｆ2（ＮＡ2＋０．０３）ｍｍを満たすので、光束のスポットサイズを確保できる。すなわち前記ある位置ｈがｆ ２ （ＮＡ ２ −０．０３）ｍｍ以上であれば、前記ＣＤに関して解像力を確保でき、一方、ｆ ２ （ＮＡ ２ ＋０．０３）ｍｍ以下であれば、前記ＣＤの傾き誤差に対するマージンを確保できる。
【００１９】
請求項１０に記載の光ピックアップ装置は、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、球面収差の不連続部分から前記絞り最外部へ向かって球面収差が単調に変化することを特徴とする。
【００３６】
本明細書中で用いる回折部とは、レンズの表面に、レリーフを設けて、回折によって光束を集光あるいは発散させる作用を持たせた部分のことをいう。レリーフの形状としては、例えば、レンズの表面に、光軸を中心とする略同心円状の輪帯として形成され、光軸を含む平面でその断面をみれば各輪帯は鋸歯のような形状が知られているが、そのような形状を含むものである。
【００３７】
本明細書中において、対物レンズとは、狭義に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レンズを指し、広義にはそのレンズと共に、アクチュエータによって少なくともその光軸方向に作動可能なレンズ群を指すものとする。ここで、かかるレンズ群とは、少なくとも１枚以上（例えば２枚）のレンズを指すものである。従って、本明細書中において、対物レンズの光情報記録媒体側（像側）の開口数ＮＡとは、対物レンズの最も光情報記録媒体側に位置するレンズ面の開口数ＮＡを指すものである。また、本明細書中では必要開口数ＮＡは、それぞれの光情報記録媒体の規格で規定されている開口数、あるいはそれぞれの光情報記録媒体に対して、使用する光源の波長に応じ、情報の記録または再生をするために必要なスポット径を得ることができる回折限界性能の対物レンズの開口数を示す。
【００３８】
本明細書中において、第２の光情報記録媒体とは、例えば、CD-R, CD-RW, CD-Video, CD-ROM等の各種ＣＤ系の光ディスクをいい、第１の光情報記録媒体とは、DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-R, DVD-RW,DVD-Video等の各種ＤＶＤ系の光ディスクを意味するものである。更に、本明細書中で透明基板厚ｔといった時は、ｔ＝０を含むものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる対物レンズを含む光ピックアップ装置の概略構成図である。本実施の形態では、透明基板の厚さｔ1の第１光情報記録媒体１０（以下ＤＶＤともいう）と、厚さｔ1とは異なる透明基板の厚さｔ2を有する第２光情報記録媒体１０’（以下ＣＤともいう）とに対して情報を記録及び／又は再生する光ピックアップ装置に使用される対物レンズを説明する。ここでは、透明基板の厚さがそれぞれｔ1＝０．６ｍｍ、ｔ2＝１．２ｍｍであり、対物レンズの必要開口数はＤＶＤではＮＡ1＝０．６０、ＣＤではＮＡ2＝０．４５である。
【００４１】
光ピックアップ装置は、光源としてＤＶＤ１０用の第１光源としての第１半導体レーザ１（波長λ1＝６１０ｎｍ〜６７０ｎｍ）と、ＣＤ１０’用の第２光源としての半導体レーザ２（波長λ2＝７４０ｎｍ〜８７０ｎｍ）とを有している。これら第１半導体レーザ１、第２半導体レーザ２は、情報再生／記録すべき光情報記録媒体１０，１０’に応じて選択的に使用される。また、合成手段３は、第1半導体レーザ１から出射された光束と、第2半導体レーザ２から出射された光束とを合成することが可能な手段である。
【００４２】
まず、透明基板厚さｔ1であるＤＶＤ１０を再生する場合、第１半導体レーザ１から光束を出射し、出射された光束は、合成手段３、偏光光束スプリッタ４、コリメータレンズ５、１／４波長板６を透過して円偏光の平行光束となる。この光束は絞り７によって絞られ、対物レンズ８によりＤＶＤ１０の透明基板１０ｂを介して情報記録面１０ａ上に集光される。情報記録面１０ａの情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ８、１／４波長板６、コリメータレンズ５を透過して偏光光束スプリッタ４に入射し、ここで反射されシリンドリカルレンズ１１により非点収差が与えられ受光素子である光検出器１２に入射し、光検出器１２から出力される信号を用いてＤＶＤ１０に記録された情報の読みとり信号が得られる。
【００４３】
光検出器１２上でのスポットの形状変化による光量分布変化を検出して、合焦検出やトラック検出が行われる。この検出に基づいて２次元アクチュエータ９が第１半導体レーザから１の光をＤＶＤ１０の情報記録面１０ａ上に結像するように対物レンズ８を移動させるとともに、第１半導体レーザ１からの光を所定のトラックに結像するように対物レンズ８を移動させる。
【００４４】
一方、透明基板厚さｔ2（ｔ1＜ｔ2）であるＣＤ１０’を再生する場合、第２半導体レーザ２から光束を出射し、出射された光束は合成手段３により光路を変更され、偏光光束スプリッタ４、コリメータレンズ５、１／４波長板６、第１光情報記録媒体（ＤＶＤ）１０と共通の開口大きさの絞り７、対物レンズ８を介してＣＤ１０’の透明基板１０ｂ’を介して情報記録面１０ａ’上に集光される。情報記録面１０ａ’の情報ピットにより変調されて反射した光束は、再び対物レンズ８、１／４波長板６、コリメータレンズ５、偏光光束スプリッタ４、シリンドリカルレンズ１１を介して光検出器１２に入射し、光検出器１２から出力される信号を用いてＣＤ１０’に記録された情報の読みとり信号が得られる。
【００４５】
光検出器１２上でのスポットの形状変化による光量分布変化を検出して、合焦検出やトラック検出が行われる。この検出に基づいて２次元アクチュエータ９が第２半導体レーザ２からの光をＣＤ１０’の情報記録面１０ａ’上に結像するように対物レンズ８を移動させるとともに、第２半導体レーザ２からの光を所定のトラックに結像するように対物レンズ８を移動させる。尚、再生だけでなく光情報記録媒体１０，１０’に情報を記録する際も、ほぼ同様の動作をする。
【００４６】
本実施の形態の対物レンズ８は、上記のようにＤＶＤ／ＣＤの共通の開口大きさ絞り７を介して、各々の半導体レーザ１，２からの光束を各光情報記録媒体１０，１０’の情報記録面１０ａ、１０ａ’上に集光する。
【００４７】
図２は、本実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。一点鎖点は光軸を示している。この対物レンズ８の光源側の面Ｓ１は、光軸を中心とする同心円状の回折面８ｂで構成されている。また、光情報記録媒体側の屈折面Ｓ２は非球面形状を呈しており、全体として正のパワーを有する凸レンズである。回折部８ａのピッチは光軸からある位置ｈまで単調に減少し、ある位置ｈの両隣で、回折面８ｂのピッチが一旦増加する。そしてある位置ｈから周辺に向かって更に減少している。
【００４８】
更に、ＤＶＤとＣＤとでは対物レンズ８の必要開口数が異なるため、先に述べたように共通の開口大きさの絞り７を使用する場合には、専用領域と共有領域とでは異なった観点から設計を行う必要がある。図３は、これら専用領域及び共有領域の概念を示す図である。ＣＤの情報記録及び／又は再生時に要求されるＮＡ2０．４５近辺で専用領域と共有領域との境界が存在し、専用領域の外側の光線がＤＶＤの情報記録及び／又は再生時に要求されるＮＡ1０．６０相当である。
【００４９】
概略としてはＮＡ1＝ｓｉｎθ１、ＮＡ2＝ｓｉｎθ２である。本発明で言う球面収差の不連続部分が、この境界部分に相当する。また、絞り最外部の光線とはＤＶＤでのＮＡ＝０．６０光線に相当する。
【００５０】
本実施の形態では、ＤＶＤでは、共有領域及び専用領域を通る光束のトータルの球面収差補正を行う。ＣＤでは共有領域を通る光束に対して球面収差補正を行っている。尚、本実施の形態では回折面の母非球面がこの境界部分において、ほぼ連続に設計されている。母非球面については後述する。
【００５１】
母非球面を不連続にする設計については、第２の実施の形態で説明する。本明細書内の回折限界以下とはトータルの波面収差がマレシャルの限界値である０．０７λｒｍｓ以下を指すものとする。さらに半導体レーザからの光束が光情報記録媒体の情報記録面に集光するまでを、「行きの光学系」と呼ぶことにする。
【００５２】
ここでＣＤの場合には、図３にもあるように、共有領域を通る光束を利用して光スポットを形成して、専用領域を通る光束はフレアーとしており活用している訳ではない。しかしながら、本発明者らは、ＤＶＤにおける波長特性と温度特性とのバランスを考慮する場合には、ＣＤにおけるフレアー成分の出し方を設計上考慮する必要がある事を見出した。これらについて次の図面を用いて説明する。
【００５３】
図５はＣＤ使用時のフレアーの形成の手法を変えた場合の例を表しており、それぞれの設計例について温度変化による球面収差変化及び波長変化による球面収差変化をプロットしたものである。（本明細書内では温度変化時のシミュレーション条件とは、温度変化δＴ＝＋３０℃、波長変化δλ＝＋６ｎｍを指し、同様に波長特性とは、波長変化δλ＝；１０ｎｍ（温度変化δＴ＝０℃）を指すものとする。）
【００５４】
ＣＤ最外部における球面収差量について言えば、ＣＤの情報の記録又は再生時におけるフレアー量が少ないほどＤＶＤ温度特性が良くなる傾向がある。しかし、ＤＶＤ波長特性を考えると、ＣＤの情報の記録又は再生時におけるフレアー量が多くなる方が良くなる傾向がある。同様に、球面収差の不連続量について見ると、温度特性と波長特性とが相反する特性となり、温度特性と波長特性とのバランスを考慮すると、これら近似回帰直線の交点付近のフレアー量設計とすることが好ましい。
【００５５】
上記のようにこれらのフレアー量を適切に設定することで、ＤＶＤとＣＤとの互換性を確保しつつ、ＤＶＤにおける温度特性を向上させたもの、又は波長特性を向上させたもの、或いはＤＶＤにおける波長特性と温度特性との両立が可能となる。
【００５６】
なお本発明は本実施の形態に限定されるものではない。ＤＶＤとして必要開口数ＮＡ1＝０．６０、ＣＤの必要開口数ＮＡ2＝０．４５相当における光ピックアップ装置用の対物レンズを紹介したが、これ以外の互換についても共有領域、専用領域それぞれを適切に設計すれば良い。この場合にも、ＣＤ系の光スポット形成は、共有領域部分を通った光束を活用し専用領域を通る光束をフレアーとするのであるが、ＤＶＤ系の温度特性と波長特性とを両立させるため、切り替え位置におけるフレアー出し量及びＤＶＤの最周辺部分の光線フレアー量に着目すれば良い。この場合切り替え位置における球面収差の不連続量を設計により振って、波長特性と温度特性とのバランスを確保することができる。
【００５７】
また、共有領域、専用領域の全面を光軸と同心円状の回折面としたが、これに限らず一部輪帯を屈折輪帯で構成しても同様である。更に、光源としてＤＶＤ／ＣＤ用の別体の半導体レーザの光束を、単一の対物レンズに入射させる例について説明したが、近年開発された２つの発光点がワンチップ化された光源にも適用可能である。
【００５８】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態との大きな違いは境界部分における回折面の母非球面を不連続にしたことである。それ以外は、上述したものと同様であるので、重複箇所については説明を省略する。
【００５９】
図７は本実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。この対物レンズ８’の光源側の面Ｓ１は、光軸を同心円状とする回折面８ｂ’で構成されている。また、光情報記録媒体側の屈折面Ｓ２は非球面形状を呈しており、全体として正のパワーを有する凸レンズである。回折部８ａ’のピッチは光軸からある位置ｈまで単調に減少し、ある位置ｈの両隣でピッチが一旦増加する。そしてある位置ｈから周辺に向かって更に減少している。そして、回折面８ｂ’の母非球面はある位置ｈで不連続となるように設計されている。また、段差δをある位置ｈの外側でレンズ厚さが薄くなる方向に設けている。このような母非球面の段差δを設けることで波長特性、温度特性に対して強い対物レンズ８’とすることが出来る。後述する表４において、母非球面の段差量と球面収差の変化量との関係が示されている。
【００６０】
図７にもあるように、回折面の母非球面に段差δを設けているため、回折面８ｂ’の切り替え部（光軸からある位置ｈのところ）においても段差が存在する。段差は図７において外側が薄くなる方向に設ける方が波長特性、温度特性の向上に対して有効であった。
【００６１】
本実施の形態においても、ある位置ｈはＣＤの必要開口数ＮＡ2付近に設定することが好ましく、これよりも高い位置に設けてしまうとＣＤスポットサイズが小さくなるもののディスクティルト誤差に対するマージンが少なくなってしまう。逆に低い位置にｈを設定するとＣＤの解像力が不足してしまい好ましくない。
【００６２】
更に、図７にもあるようにＣＤの専用領域の球面収差は、上に凸の曲線状の球面収差としている。こうすることで、ＣＤのスポット光のピーク強度を高めることが出来る。
【００６３】
本実施の形態でも第１の実施の形態と同様に、第２光情報記録媒体（ＣＤ）１０’に対する情報記録及び／又は再生時における球面収差の不連続部分の段差量及び、第２光情報記録媒体１０’に対する情報記録及び／又は再生時におけるＮＡ1相当の光線の球面収差量を制御することで波長特性のより好ましい対物レンズ、又は温度特性のより好ましい対物レンズ、更にまた、それらのバランスのとれた対物レンズを得ることが可能となることは言うまでもない。
【００６４】
（実施例）
以下、上述した実施の形態の光ピックアップ装置に用いられると好適な対物レンズの実施例について説明する。
【００６５】
（実施例１）
本実施例は上述した第１の実施の形態の実施例である。
一般に回折面の回折輪帯ピッチは、位相差関数もしくは光路差関数を使って定義される。具体的には、位相差関数Φｂは単位をラジアンとして以下の［数１］で表され、光路差関数ΦＢは単位をｍｍとして［数２］で表される。
【数１】
これら２つの表現方法は、単位は異なるが、回折輪帯のピッチを表す意味では同等である。即ち、主波長λ（単位ｍｍ）に対し、位相差関数の係数ｂにλ／２πを掛ければ光路差関数の係数Ｂに換算でき、また逆に光路差関数の係数Ｂをλ／２πで割れば位相差関数の係数ｂに換算できる。
【００６７】
上記の定義を基にした場合、位相差関数もしくは光路差関数の２次係数を零でない値にすることにより、レンズにパワーを持たせることができる。また、位相差関数もしくは光路差関数の２次以外の係数、例えば、４次係数、６次係数、８次係数、１０次係数等を零でない値とすることにより、球面収差を制御できる。ここで制御するということは、屈折部分が有する球面収差を回折部分で逆の球面収差を持たせトータルとして球面収差を補正したり、回折部分の球面収差を操作してトータルの球面収差を所望のフレアー量にすることを意味する。
【００６８】
そして、少なくとも一方の面に上記回折面を形成すると共に、次の［数３］で表される非球面形状を有している。
【数３】
【００６９】
ＤＶＤにおいては、基準設計波長λ1＝６５５ｎｍ、基準温度Ｔ＝２５℃、焦点距離ｆ＝３．３６ｍｍ、開口数ＮＡ1＝０．６０、光情報記録媒体の透明基板の厚さｔ1＝０．６ｍｍである。またＣＤにおいては、基準設計波長λ2＝７８５ｎｍ、光情報記録媒体の透明基板の厚さｔ2＝１．２ｍｍである。
【００７０】
また、半導体レーザは使用環境温度が変化するとレーザの波長も変化する特性を有する。以下に述べる本実施例では、半導体レーザの温度による波長変化が０．２ｎｍ／℃としている。そして、本明細書内の温度特性とは、使用環境温度変化時を想定しており、光源の波長変化及び温度変化とを含んだものとする。又、波長特性とは、使用環境温度の変化なしを想定しており、光源の波長変化だけの影響を含むものとする。
【００７１】
対物レンズ材料であるプラスチック材はオレフィン系樹脂であり、これも温度変化に伴い屈折率が変化してδｎ／δＴ＝約３×Ｅ−５である。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）おいて、１０のべき乗数（例えば ２．５×１０-3）を、Ｅ（例えば ２．５×Ｅ―３）を用いて表している。
【００７２】
表１に対物レンズデータを示す。ｉは面番号を示し、ｉ＝１が絞りである。また対物レンズのレーザ側の面には回折面が形成され、ｉ＝２が共有領域におけるデータ、ｉ＝２’が専用領域におけるデータである。ｉ＝４、５は光情報記録媒体を示している。ｈは光軸からの高さを示し、専用領域内及び共有領域内はそれぞれの光路差関数、非球面係数は１つで表される。また、特許請求の範囲内の「ある位置ｈ」とは、領域の切り替え位置を指しており、本実施例ではｈ＝１．５８８５ｍｍである。図４がＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。
【表１】
表２に、本実施例における、ＣＤ使用時において切り替え位置における球面収差段差量とＮＡ１相当光線の球面収差量、及び温度変化時波長変化時の球面収差の変化量を示している。参考のため、図５に示した設計例における各特性を記載した。図６にＤＶＤ／ＣＤそれぞれの光情報記録媒体上でのスポットプロファイルを示しており、必要開口数に相当したスポット径が得られていることが確認できる。
【表２】
（実施例２）
本実施例は上述した第２の実施の形態の実施例である。
表３に対物レンズデータを示す。ｉは面番号を示し、ｉ＝１が絞りである。また対物レンズのレーザ側の面には回折面が形成され、ｉ＝２が共有領域におけるデータ、ｉ＝２’が専用領域におけるデータである。ｉ＝４、５は光情報記録媒体を示している。また、特許請求の範囲内の「ある位置ｈ」とは、領域の切り替え位置を指しており、本実施例ではｈ＝１．０９５１ｍｍである。また回折面の母非球面のある位置ｈにおける段差量δは４．１μｍであり、回折実形状に変更した場合の段差量は２．６μｍである。このような設定にしてもＤＶＤにおける球面収差の不連続量は、実施例１と同程度に収差補正することは可能であり、実使用上は問題ない。本実施例と比較例との球面収差の差異を表４に示す。
【表３】
図８がＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。また、図９に情報記録面上のスポットプロファイルを示しており、本実施例においても必要開口数に相当したスポット径が得られていることが確認できる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ピックアップ装置の雰囲気温度が変化してレーザー発振波長変動及び対物レンズ材料屈折率変動が変化した場合に対しても、あるいは、単純にレーザー発振波長がシフトした場合に対しても球面収差劣化のバランスが取れた、即ち誤差要因に対して強い対物レンズ、及びその対物レンズを備えた光ピックアップ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる対物レンズを含む光ピックアップ装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。
【図３】専用領域及び共有領域の概念を示す図である。
【図４】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。
【図５】ＣＤ使用時のフレアーの形成の手法を変えた場合の例を示す図である。
【図６】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれの光情報記録媒体上でのスポットプロファイルを示す図である。
【図７】第２の実施の形態の対物レンズを模式的に示した断面図である。
【図８】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれに関する球面収差図である。
【図９】ＤＶＤ／ＣＤそれぞれの光情報記録媒体上でのスポットプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の半導体レーザ
２ 第２の半導体レーザ
３ 合成手段
４ 偏向光束スプリッタ
５ コリメータレンズ
６ １／４波長板
７ 絞り
８ 対物レンズ
９ ２次元アクチュエータ
１０ 第１光情報記録媒体（ＤＶＤ）
１０’第２光情報記録媒体（ＣＤ）
１１ シリンドリカルレンズ
１２ 光検出器
Claims (10)
- ＤＶＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長６４０ｎｍ＜λ 1 ＜６７０ｎｍの第１光源と、ＣＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長７７０ｎｍ＜λ 2 ＜７９５ｎｍである第２光源と、前記第１及び前記第２光源から出射された光束を、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤの透明基板を介して情報記録面に集光させる単一のプラスチック材料から形成される対物レンズを含む集光光学系と、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤ共通の開口大きさである絞りとを有し、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に用いる対物レンズにおいて、前記対物レンズの少なくとも１面には、同心円状の回折面が有効径内に設けられると共に、回折ピッチが光軸から周辺に向かって徐々に小さくなるが、ある位置ｈで回折ピッチが増加する回折部が存在し、前記ＤＶＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、前記回折部を通過した光束は、前記有効径内で回折限界以下に収差補正され、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、行きの光学系において、前記回折部において前記ある位置ｈで段差量が７μｍ以上４０μｍ以下の球面収差の不連続部分以内の領域を通る光束は、回折限界以下に収差補正され、なお且つ前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、前記絞り最外部を通過する光線の球面収差量が２７μｍ以上３６μｍ以下であることを特徴とする対物レンズ。
- 前記回折部は、回折の母非球面が連続であることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
- 前記回折部は、回折の母非球面が不連続であることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
- 前記ある位置ｈは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときの前記対物レンズの焦点距離をｆ 2 、前記ＣＤにおける必要開口数をＮＡ 2 とした場合に、ｆ 2 （ＮＡ 2 −０．０３）ｍｍ≦ｈ≦ｆ 2 （ＮＡ 2 ＋０．０３）ｍｍを満たすことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の対物レンズ。
- 前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、球面収差の不連続部分から前記絞り最外部へ向かって球面収差が単調に変化することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の対物レンズ。
- ＤＶＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長６４０ｎｍ＜λ 1 ＜６７０ｎｍの第１光源と、ＣＤに対して光束を照射して情報を記録及び／又は再生する波長７７０ｎｍ＜λ 2 ＜７９５ｎｍである第２光源と、前記第１及び前記第２光源から出射された光束を、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤの透明基板を介して情報記録面に集光させる単一のプラスチック材料から形成される対物レンズを含む集光光学系と、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤ共通の開口大きさである絞りとを有し、前記ＤＶＤ及び前記ＣＤに対して情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置において、前記対物レンズの少なくとも１面には、同心円状の回折面が有効径内に設けられると共に、回折ピッチが光軸から周辺に向かって徐々に小さくなるが、ある位置ｈで回折ピッチが増加する回折部が存在し、前記ＤＶＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、前記回折部を通過した光束は、前記有効径内で回折限界以下に収差補正され、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときには、行きの光学系において、前記回折部において前記ある位置ｈで段差量が７μｍ以上４０μｍ以下の球面収差の不連続部分以内の領域を通る光束は、回折限界以下に収差補正され、なお且つ前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、前記絞り最外部を通過する光線の球面収差量が２７μｍ以上３６μｍ以下であることを特徴とする光ピックアップ装置。
- 前記回折部は、回折の母非球面が連続であることを特徴とする請求項６に記載の光ピックアップ装置。
- 前記回折部は、回折の母非球面が不連続であることを特徴とする請求項６に記載の光ピックアップ装置。
- 前記ある位置ｈは、前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときの前記対物レンズの焦点距離をｆ2、前記ＣＤにおける必要開口数をＮＡ2とした場合に、ｆ2（ＮＡ2−０．０３）ｍｍ≦ｈ≦ｆ2（ＮＡ2＋０．０３）ｍｍを満たすことを特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載の光ピックアップ装置。
- 前記ＣＤに対して情報の記録又は再生を行うときに、球面収差の不連続部分から前記絞り最外部へ向かって球面収差が単調に変化することを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載の光ピックアップ装置。
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