JP4903484B2 - 光ピックアップおよび光情報処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、光情報処理装置に用いられる光ピックアップに係り、特に、光源の波長または光記録媒体の透明基板厚が異なることで、記録密度が異なる複数種類の光記録媒体に対して情報を記録，再生する際に、互換性を有する光ピックアップおよび光情報処理装置に関するものである。

映像情報、音声情報、またはコンピュータ上のデータを保存する手段として、記録容量０.６５ＧＢのＣＤ、記録容量４.７ＧＢのＤＶＤなどの光記録媒体が普及しつつある。そして、近年、さらなる記録密度の向上および大容量化の要求が強くなっている。

このような光記録媒体の記録密度を向上させる手段としては、光記録媒体に情報の書き込みまたは読み出しを行う光ピックアップにおいて、対物レンズの開口数（以下、ＮＡという）を大きくすること、あるいは、光源の波長を短くすることにより、この対物レンズによって集光され、光記録媒体上に形成されるビームスポットを小径化することが有効である。

そこで、例えば「ＣＤ系光記録媒体」では、対物レンズのＮＡが０.５０、光源の波長が７８０ｎｍとされているのに対して、「ＣＤ系光記録媒体」よりも高記録密度化がなされた「ＤＶＤ系光記録媒体」では、対物レンズのＮＡが０.６５、光源の波長が６６０ｎｍとされている。そして、光記録媒体は、前述したように、さらなる記録密度の向上および大容量化が望まれており、そのためには、対物レンズのＮＡを０.６５よりもさらに大きく、あるいは、光源の波長を６６０ｎｍよりもさらに短くすることが望まれている。

このような大容量の光記録媒体および光情報処理装置として、特許文献１に記載されているような、２つの規格が提案されている。１つは、青色の波長領域の光源とＮＡ０.８５の対物レンズを用いて、２２ＧＢ相当の容量確保を満足する「Ｂlu-ray Ｄisc」の規格（以下、ＢＤという）である。もう１つは、青色波長は同じであるが、ＮＡ０.６５の対物レンズを用いて、２０ＧＢ相当の容量確保を満足する「ＨＤ−ＤＶＤ」の規格（以下、ＨＤという）である。

前者はＤＶＤ系に比べ短波長化、高ＮＡ化の変更により大容量化を行い、後者は高ＮＡ化を行わない代わりに信号処理の工夫により線記録密度の向上を可能とし、ランド・グルーブ記録の採用により大容量化を行っている。

また、ＢＤとＨＤは、光源の発振波長が４０５ｎｍ程度の青紫色半導体レーザ光源を用いる点で共通しているが、光記録媒体は基板厚さがそれぞれ０．１ｍｍ、０．６ｍｍと異なる。

ＢＤとＨＤのような高密度な情報の記録および／または再生を行える光ピックアップであっても、従来から大量に供給されたＣＤ、ＤＶＤに対しても情報の記録および／または再生を確保する必要がある。さらに、ＢＤ、ＨＤの規格が同時に普及した場合は、ＢＤ、ＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの光学系を一体にすることが望ましい。

そして、記録，再生すべき光記録媒体の種類に応じて、適切な波長の光源を選択し、この選択した光束に対して適切な光学処理を施し、それぞれの光記録媒体の基板厚さの違いによって生じる球面収差を補正することが望ましい。

そして、記録，再生すべき光記録媒体の種類に応じて、適切な波長の光源を選択し、この選択した光束に対して適切な光学処理を施し、それぞれの光記録媒体の基板厚さの違いによって生じる球面収差を補正することが望ましい。

４つの異なる光記録媒体を１つの光ピックアップを用いて記録あるいは再生するものとしては、２つの対物レンズを用いる手段が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００５−３３９７１８号公報 特開２００５−２０９２９９号公報

しかしながら、前記の特許文献２の手段では、２つの対物レンズを用いるため、部品点数が多くなり、小型化，低コスト化に適さない。さらに、光記録媒体に応じて、対物レンズを可動させる必要があるため、アクチュエータの機構が複雑となる上、情報へのアクセス時間がかかるという課題が生じる。

４種類の光記録媒体を記録，再生する互換型の光ピックアップにおいて、小型化，低コスト化を実現させるためには、対物レンズを含めて、共通の光学系で達成されることが望ましい。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、使用波長に応じた複数の光源を備えながら、単一の対物レンズで、異なる基板厚さを有する４種類の光記録媒体の記録面に、必要な開口数（ＮＡ）で光束を収束する光ピックアップおよび光情報処理装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した光ピックアップは、基板厚：０．１ｍｍ、開口数：０．８５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＢＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＨＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ２＝６６０ｎｍのＤＶＤ系光記録媒体、基板厚：１．２ｍｍ、開口数：０．４５、使用波長：λ３＝７８５ｎｍのＣＤ系光記録媒体に対して、記録、再生、消去のうち１以上を行い得る光ピックアップであって、前記ＢＤ系光記録媒体とＨＤ系光記録媒体とに対応した前記波長：λ１を有する第１の光束を出射する第１の光源と、前記ＤＶＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ２を有する第２の光束を出射する第２の光源と、前記ＣＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ３を有する第３の光束を出射する第３の光源と、前記第１〜第３の光束を、前記４種の光記録媒体の各記録面に集光させる単一の対物レンズと、該対物レンズと前記第１〜第３の光源の間に設けた収差補正手段とを備え、前記対物レンズは、ＢＤ系光記録媒体に対して、波長：λ１の光束による収差が最小になるように設計され、前記収差補正手段に、前記第１〜第３の光束が全て、平行光として入射し、該収差補正手段の、光束が通過する光線有効径内に回折面が設けられ、該回折面は、開口数：０．４５に相当する中心領域と、開口数：０．４５〜０．６５に相当する２番目の領域と、開口数：０．６５〜０．８５に相当する３番目の領域とに同心円状に分割され、前記中心領域および２番目の領域には、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体における基板厚の相違と、使用波長の相違により生じる球面収差を補正し、かつ開口を切り替えるような回折構造が形成され、該回折構造のピッチが、単一の対物レンズを用いて、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体の、基板を透過する際に生じる球面収差を打ち消すように設定され、前記中心領域には、段数：３段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが低くなるような第１の回折構造が形成され、該第１の回折構造の段階状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−２次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−３次回折するように設定され、前記２番目の領域には、段数：３段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが低くなるような第２の回折構造が形成され、該第２の回折構造の階段状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−２次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−３次回折光を発生しないように設定され、前記３番目の領域は平坦であることを特徴とし、４種類の光記録媒体に対して、回折面一面で、発生する収差を補正しかつ開口を切り替えることができ、収差補正と開口制限を単一の素子で構成し共用することができる。

また、請求項２に記載した光ピックアップは、基板厚：０．１ｍｍ、開口数：０．８５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＢＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＨＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ２＝６６０ｎｍのＤＶＤ系光記録媒体、基板厚：１．２ｍｍ、開口数：０．４５、使用波長：λ３＝７８５ｎｍのＣＤ系光記録媒体に対して、記録、再生、消去のうち１以上を行い得る光ピックアップであって、前記ＢＤ系光記録媒体とＨＤ系光記録媒体とに対応した前記波長：λ１を有する第１の光束を出射する第１の光源と、前記ＤＶＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ２を有する第２の光束を出射する第２の光源と、前記ＣＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ３を有する第３の光束を出射する第３の光源と、前記第１〜第３の光束を、前記４種の光記録媒体の各記録面に集光させる単一の対物レンズと、該対物レンズと前記第１〜第３の光源の間に設けた収差補正手段とを備え、前記対物レンズは、ＢＤ系光記録媒体に対して、波長：λ１の光束による収差が最小になるように設計され、前記収差補正手段に、前記第１〜第３の光束が全て、平行光として入射し、該収差補正手段の、光束が通過する光線有効径内に回折面が設けられ、該回折面は、開口数：０．４５に相当する中心領域と、開口数：０．４５〜０．６５に相当する２番目の領域と、開口数：０．６５〜０．８５に相当する３番目の領域とに同心円状に分割され、前記中心領域および２番目の領域には、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体における基板厚の相違と、使用波長の相違により生じる球面収差を補正し、かつ開口を切り替えるような回折構造が形成され、該回折構造のピッチが、単一の対物レンズを用いて、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体の、基板を透過する際に生じる球面収差を打ち消すように設定され、前記中心領域には、段数：４段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが低くなるような第１の回折構造が形成され、該第１の回折構造の段階状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−１次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−２次回折するように設定され、前記２番目の領域には、段数：３段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが高くなるような第２の回折構造が形成され、該第２の回折構造の階段状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−１次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−３次回折光を発生しないように設定され、前記３番目の領域は平坦であることを特徴とし、４種類の光記録媒体に
対して回折面一面で、収差を良好に補正できる。

請求項１、２記載の光ピックアップでは、収差補正手段の回折面へ入射する光束が全て平行光束であるが、参考技術として、回折面へ入射する光束が、４種の光記録媒体の少なくとも１つに対して、有限系であるようにすることも考えられ、このようにすること、により回折面の設計自由度を広げることができる。

また、請求項３に記載した光ピックアップは、請求項１または２記載の光ピックアップであって、回折面において分割した領域のうち、中心から３番目の領域に光軸方向の厚さが異なる段差を形成したことによって、回折面一面で、収差を良好に補正し開口を切り替えるができ、かつ波長変動による色収差を補正することができる。
即ち、請求項１、２記載の光ピックアップでは、回折面における中心から３番目の領域は「平坦」であるが、平坦であっても、３番目の領域全体が「単一の平坦面」に限られるわけではなく、請求項３のように「光軸方向の厚さが異なる段差」を有することができるのである。

また、請求項４に記載した光ピックアップは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ピックアップであって、収差補正手段と対物レンズが一体に形成され、前記収差補正手段の回折面の回折構造が、前記対物レンズのレンズ面に形成されたことによって、組み付け精度を緩和して、部品点数を減らすことができる。

また、上記請求項１〜４に記載された光ピックアップは、回折面を設けた収差補正手段の回折面と反対側の面に波長板を形成することができ、これによって、部品点数を減らすこともできる。

また、参考技術として、回折面を設けた収差補正手段の「回折面と反対側の面」に発散角変換素子を形成することによって、４種類の光記録媒体の少なくとも１種類に対して発散光にして回折面へ入射でき、回折面の設計条件を緩和することも考えられる。

また、参考技術として、光源から対物レンズの光路中にビームエキスパンダを備えることにより、４種類の光記録媒体に対して少なくとも１種類で発散光にして回折面へ入射できるようにして、回折面の設計条件を緩和することも考えられる。

また、回折面の回折構造は、樹脂材料より構成することにより、回折面を容易に製造でき、かつ軽量化により対物レンズの可動部の負荷を低減することができる。

また、回折面を有する収差補正手段の外形形状を回折面と同心円の円形状とすることにより、環境湿度が変動しても形状の変化のない安定した素子の実現が可能である。

また、請求項５に記載した光情報処理装置は、ＢＤ系光記録媒体、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体に対して、記録、再生、消去のうち１以上を行う光情報処理装置であって、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップを備えたことを特徴とし、４種類の光記録媒体に対して、発生する収差を補正でき、効率低下を抑制できる。

本発明によれば、使用波長に応じた複数の光源を備えながら、単一の対物レンズにより基板厚さと記録密度の異なる４種類の光記録媒体の記録面に良好な集光し、安定した記録，再生の動作ができ、小型化，低コスト化，高効率化した高精度な光ピックアップおよび光情報処理装置が実現できるという効果を奏する。

以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。以下に挙げる実施形態のうちには
、参考技術の実施形態も含まれているが、混同の恐れは無いと思われるので、各実施形態に１連の番号を付して説明する。

図１は本発明の実施形態１における光ピックアップの概略構成を示す図である。図１に示すように、単一の対物レンズ１０６で、異なる光源波長を用いて、４種類の光記録媒体（ＢＤ系，ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系）を異なる有効瞳半径で記録または再生を行う互換型の光ピックアップである。

ＢＤ系，ＨＤ系、ＤＶＤ系，ＣＤ系の光記録媒体１０７，１１７，１２７，１３７の基板厚は、それぞれ０．１ｍｍ，０．６ｍｍ，０．６ｍｍ，１．２ｍｍであり、それぞれＢＤ、ＨＤ、ＤＶＤ、ＣＤの光記録媒体に対応する。開口数は、それぞれＮＡ０．８５，ＮＡ０．６５，ＮＡ０．６５，ＮＡ０．４５であり、また第１，第２，第３の光源の波長λ１，λ２，λ３は、それぞれ４０５ｎｍ，６６０ｎｍ，７８５ｎｍである。

図１に示す光ピックアップは、ＢＤ系光記録媒体１０７，ＨＤ系光記録媒体１１７に対して、半導体レーザ１０１，コリメートレンズ１０２，プリズム１０４，１／４波長板１０５，対物レンズ１０６，偏光ビームスプリッタ１０３，検出レンズ１０８，受光素子１１０，収差補正手段５０１により構成される。第１の光源である半導体レーザ１０１の中心波長は４０５ｎｍであり、対物レンズ１０６の開口数（ＮＡ）は０．８５である。ＨＤ系光記録媒体１１７に対する対物レンズ１０６の開口数（ＮＡ）は０．６５であり、このＮＡの切り替えは収差補正手段５０１により制限される。ＢＤ系光記録媒体１０７の基板厚は０．１ｍｍ、ＨＤ系光記録媒体１１７の基板厚は０．６ｍｍとする。

半導体レーザ１０１の出射光は、コリメートレンズ１０２により略平行光にされる。コリメートレンズ１０２を通過した光は偏光ビームスプリッタ１０３に入射し、プリズム１０４より偏向される。そして、１／４波長板１０５，収差補正手段５０１，対物レンズ１０６を介して集光されることにより、情報の記録，再生がされる。ＢＤ系光記録媒体１０７からの反射光は対物レンズ１０６，１／４波長板１０５を通過した後、偏光ビームスプリッタ１０３により入射光と分離して偏向され、検出レンズ１０８により受光素子１１０上に導かれ、再生信号，フォーカス誤差信号，トラック誤差信号が検出される。

また、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に対して、中心波長が６６０ｎｍの半導体レーザ１３０ａから出射した光は、発散角変換レンズ１３２，波長選択性ビームスプリッタ１３３を経て、プリズム１０４により偏向される。そして、１／４波長板１０５，収差補正手段５０１、対物レンズ１０６を介して、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に集光される。このＤＶＤ系光記録媒体１２７の基板厚は０．６ｍｍであり、対物レンズ１０６のＮＡは０．６５である。ＮＡの切り替えは、収差補正手段５０１により制限される。ＤＶＤ系光記録媒体１２７からの反射光は対物レンズ１０６，１／４波長板１０５を通過した後、波長選択性ビームスプリッタ１３３により偏向され、ホログラム素子１３０ｂにより入射光と分離して受光素子１３０ｃ上に導かれ、再生信号，フォーカス誤差信号，トラック誤差信号が検出される。

さらに、ＣＤ系光記録媒体１３７に対して、中心波長が７８５ｎｍの半導体レーザ１４０ａから出射した光は、発散角変換レンズ１４２，波長選択性ビームスプリッタ１４３を経て、プリズム１０４により偏向される。そして、１／４波長板１０５，収差補正手段５０１，対物レンズ１０６を介して、ＣＤ系光記録媒体１３７に集光される。このＣＤ系光記録媒体１３７の基板厚は１．２ｍｍであり、対物レンズのＮＡは０．４５である。ＮＡの切り替えは、収差補正手段５０１により制限される。ＣＤ系光記録媒体１３７からの反射光は対物レンズ１０６，１／４波長板１０５を通過した後、波長選択性ビームスプリッタ１４３により偏向され、ホログラム素子１４０ｂにより入射光と分離して受光素子１４０ｃ上に導かれ、再生信号，フォーカス誤差信号，トラック誤差信号が検出される。

ここで、対物レンズ１０６は厚さ０．１ｍｍのＢＤ系光記録媒体１０７を高精度に記録，再生できるように最適に設計されている。設計波長は４０５ｎｍであり、４０５ｎｍでは波面収差が０．０１λｒｍｓ以下と十分小さくなるよう設計されている。なお、本実施形態１の対物レンズ１０６は、厚さ０．１ｍｍのＢＤ系光記録媒体１０７に最適に設計されているが、これに限定されるものではない。例えば、情報記録面を２層有する２層のＢＤ系光記録媒体では、情報記録面は光の入射側から０．０７５ｍｍ，と０．１ｍｍの位置に有するため、その中間値の厚さ０．０８７５ｍｍを設計中央値とするように、異なる厚さの基板厚に最適設計されていても良い。

本実施形態１における対物レンズ１０６は両面非球面形状であり、面の頂点を原点とし、光源から光記録媒体へ向かう光軸方向をＸ軸とした直交座標系において、ｒを近軸曲率半径、κを円錐形数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊ，・・・を非球面係数とするとき、面の光軸方向の距離ｘと半径Ｒの関係より、非球面形状は、（数１）

で表される。各面および各領域の面データを（表１）に示す。

ここで、ガラスの硝材は住田光学製のＫＶＣ８１、対物レンズの有効瞳半径は２.１５ｍｍである。なお、対物レンズ１０６の材料としては、ガラスに限らず、樹脂を用いても良い。

図２〜図４は収差補正手段５０１を説明するための図であり、図２，図３は拡大された断面図、図４は各回折面を示す図である。

収差補正手段５０１は、ＨＤ系光記録媒体１１７に対して、４０５ｎｍの半導体レーザ１０１から出射した光が、対物レンズ１０６で基板厚の違いにより発生する球面収差と、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に対して、中心波長が６６０ｎｍの半導体レーザ１３０ａから出射した光と、ＣＤ系光記録媒体１３７に対して、中心波長が７８０ｎｍの半導体レーザ１４０ａから出射した光が、基板厚さの違いと、波長の違いにより発生する球面収差を補正するための互換素子である。さらに、収差補正手段５０１は、それぞれの光記録媒体に対して、対物レンズ１０６の開口切り替えするための開口制限の機能を有する。

図２は本実施形態１における収差補正手段５０１と対物レンズ１０６の構成を模式的に示す断面図である。図２に示すように、収差補正手段５０１と対物レンズ１０６は、鏡筒１２１により同軸で一体化されている。具体的には、円筒状の鏡筒１２１の一端に、収差補正手段５０１を固定し、他端に対物レンズ１０６を固定して、これらを光軸に沿って同軸に一体化した構成となっている。対物レンズ１０６は、主として鏡筒１２１の内側に凸の形状をしたレンズ面を有する。

いま、ＢＤ系，ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１０７，１１７，１２７，１３７を記録，再生するときに、対物レンズ１０６はトラッキング制御により、光軸に対して垂直方向に±０．５ｍｍ程度の範囲内で移動する。ところが、ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７，１３７に対しては、収差補正手段５０１により回折を受けるため、収差補正手段５０１が移動せずに、対物レンズ１０６だけが移動すると、収差が発生して集光スポットが劣化してしまう。

そこで、収差補正手段５０１と対物レンズ１０６を一体化させ、トラッキング制御時に一体で移動させることにより、良好な集光スポットを得る構成としている。なお、収差補正手段５０１または対物レンズ１０６の少なくとも一方にフランジを設け、このフランジを介して直接一体化する構成にしても良い。また、対物レンズ１０６と鏡筒１２１、さらには対物レンズ１０６，鏡筒１２１，収差補正手段５０１すべてが一体化する構成にしても良い。

本実施形態１では、第１，第２，第３の光束は、いずれも収差補正手段５０１に平行光で入射する。つまり、発散光や収束光ではないため、各光記録媒体の記録再生時に、トラッキング制御により一体化された対物レンズ１０６と収差補正手段５０１が偏芯しても、コマ収差が発生しないという利点がある。なお、発散光や収束光として入射する構成にしても良い。例えば、本実施形態１において、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に対してのみ発散光を回折面５０２へ入射させる構成にすると、より精度良く収差を補正することができる。

図３に本実施形態１の収差補正手段５０１の断面図を示す。収差補正手段５０１は、回折構造が形成されている回折面５０２を有する。ここでいう回折面とは、垂直断面形状を凹凸形状とした回折構造が形成されている面である。平板面または曲面の一部に回折構造が形成されていれば良く、回折構造が形成されていない領域があってよい。

また、収差補正手段５０１の材料として樹脂を用いる。樹脂は、ガラスと比べて軽く、かつ成型加工が容易であるため大量生産がしやすい。本実施形態１の収差補正手段５０１は対物レンズ１０６の可動部１２０に搭載され、対物レンズ１０６と一体駆動するため、軽い方が望ましい。樹脂として例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いる。ＰＭＭＡは、高い透明性，耐候性を有し、特に射出成形に適合する強みがあるため光学部品に最も広く使用されている樹脂のひとつである。また吸湿が小さい日本ゼオン社製の光学樹脂であるＺＥＯＮＥＸ（ゼオネックス：登録商標）を用いても良い。さらに、収差補正手段５０１の材料としては、紫外線硬化樹脂を含むあらゆる光学樹脂、光学ガラスに適応可能である。

そして、第１の回折面５０２は、図４に示すように光束が通過する範囲内に、同心円状に分割された３つの領域、第１の中心領域５０２ａ、第２の中心から２番目の領域５０２ｂ、第３の最外周となる中心から３番目の領域５０２ｃを有する。

中心領域５０２ａはＣＤ系光記録媒体１３７に対するＮＡ０．４５の領域に相当し、本実施形態１では半径１．２５ｍｍと設定する。中心領域５０２ａには、波長４０５ｎｍの第１の光束はそのまま透過するものと、回折するものとに分かれるように、また波長６６０ｎｍ，７８５ｎｍの第２，第３の光束は回折するように回折構造が形成されている。ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７，１３７の基板厚の違いと、波長の違いより生じる球面収差を補正するように回折構造が形成されている。

２番目の領域５０２ｂは、ＣＤ系光記録媒体１３７に対するＮＡ０．４５の領域からＨＤ系，ＤＶＤ系光記録媒体１１７，１２７に対するＮＡ０．６５の領域に相当し、本実施形態１では半径１．２５ｍｍから１．７１５ｍｍに設定する。２番目の領域５０２ｂには、波長４０５ｎｍの第１の光束は、そのまま透過するものと、回折するものとに分かれるように、波長６６０ｎｍの第２の光束は回折するように、波長７８５ｎｍの第３の光束はＣＤ系光記録媒体１３７の記録面に集光しないように回折構造が形成されている。

３番目の領域５０２ｃは、ＨＤ系，ＤＶＤ系光記録媒体１１７，１２７に対するＮＡ０．６５からＢＤ系光記録媒体１０７に対するＮＡ０．８５の領域に相当し、本実施形態１では半径１．７１５ｍｍから２．１５ｍｍに設定する。３番目の領域５０２ｃは回折構造が形成されない平坦部であり、第１，第２，第３の光束をそのまま透過させるため、ＢＤ系光記録媒体１０７に対しては対物レンズ１０６より集光され、ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７，１３７に対しては集光されない構造となる。

したがって、回折面５０２は、ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１１７，１２７，１３７に対して、発生する収差を補正し、かつ開口を切り替えるような構成となり、４種類の光記録媒体上で良好なスポットを形成できる。

収差補正手段５０１は、平行光で入射してきた光束を発散方向に回折させることで、収差の補正を行っている。つまり、発散光を対物レンズ１０６へ入射するときに発生する収差と、基板厚や波長の違いによって発生する収差を逆極性にすることで補正している。発散光を対物レンズ１０６へ入射させると、対物レンズ１０６と光記録媒体との距離であるワーキングディスタンスが広がるため、高ＮＡの対物レンズ１０６で基板厚の厚いものに集光させる際には、都合の良い構成となる。

また、収差補正手段５０１の中心領域５０２ａの断面は、図３に示されるように同心円状に形成された複数の輪帯状凹凸部からなる。各輪帯状凹凸部は階段形状であり、３つの段数を有する。ここで、段数とは、最下段も含めて数えている。輪帯状凹凸部のピッチは、この回折構造がレンズ効果を有するように内側から外側に向かって徐々に狭くなっている。

輪帯状凹凸部のピッチは、ＨＤ系光記録媒体１１７に対しては−２次回折光を用い、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に対しては−１次回折光を用い、ＣＤ系光記録媒体１３７に対しては−３次回折光を用い、それぞれで発生する収差を補正するよう設定される。

ここで、−１次回折光について図５を参照しながら説明する。図５は入射光２０１ａが、４段の階段形状の回折構造を通過する際の波面の様子を示している。入射光２０１ａの波面は、４段の階段形状の回折構造を通過すると、それぞれ階段形状に応じて位相差が生じ、結果として出射光２０１ｂのように−１次回折光として回折される。階段形状の各段の高さは０．７５λの位相差が付与されるよう設定されている。

また、−２次回折光について図６を参照しながら説明する。図６は入射光２０２ａが、４段の階段形状の回折構造を通過する際の波面の様子を示している。入射光２０２ａの波面は、４段の階段形状の回折構造を通過すると、それぞれ階段形状に応じて位相差が生じ、結果として出射光２０２ｂ、２０２ｃのように−２次回折光と、＋２次回折光として回折される。このとき階段形状の各段の高さは、０．５λの位相差が付与されるよう設定されている。

以上のようにして発生する−２次回折光が対物レンズ１０６により集光されＨＤ系光記録媒体１１７に、−１次回折光が対物レンズ１０６により集光されＤＶＤ系光記録媒体１２７に、−３次回折光がＣＤ系光記録媒体１３７に良好集光するように、ピッチを設定している。

回折面５０２の光路差関数は、（数２）

と定義される。

ただし、光軸垂直面の光軸と交わる点を原点とし、光源から光記録媒体へ向かう光軸方向をＸ軸とした直交座標系において、φは光路差関数、Ｒは半径（光軸からの距離）、Ｃ１，Ｃ２，・・・は光路差係数である。中心領域５０２ａの面における光路差係数を（表２）に示す。

図５，図６を比較すると分かるように、同じピッチであれば、回折光の次数の絶対値が大きいほど、回折する角度が大きい。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）にＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系の各光記録媒体における波面を示す。横軸が瞳径、縦軸が位相（λ）である。ＣＤ系光記録媒体に対しては、ワーキングディスタンスを０．３ｍｍ以上確保した場合の様子を示す図である。球面収差量は、ＤＶＤ系よりＨＤ系、ＨＤ系よりＣＤ系の光記録媒体の方が大きい。これは基板厚さや波長の差が大きいためである。したがって、収差補正量が大きい光記録媒体に対して用いる回折光の次数を大きくし、球面収差発生量が小さい光記録媒体に対して用いる回折光の次数を小さくすると、ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体に対して同時に、収差を補正することが可能となる。つまり、波長λ１，λ２，λ３の光束で用いる回折光の次数を、それぞれＮ11，Ｎ12，Ｎ13とするとき、｜Ｎ12｜＜｜Ｎ11｜＜｜Ｎ13｜の関係が成り立つ必要がある。

本実施形態１では、Ｎ11＝−２，Ｎ12＝−１，Ｎ13＝−３としている。これは用いる次数が小さいほうが、回折効率が高いためである。前述のような次数を用いると、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、波面収差が小さくなり、ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系の各光記録媒体を同時に補正できていることが分かる。

また、収差補正手段５０１の２番目の領域５０２ｂの断面は、図３に示されるように同心円状に形成された複数の輪帯状の凹凸部からなる。各輪帯状の凹凸部は階段形状であり、３つの段数を有する。輪帯状の凹凸部のピッチは、この回折構造がレンズ効果を有するように内側から外側に向かって徐々に狭くなっている。

この輪帯状の凹凸部のピッチは、ＨＤ系，ＤＶＤ系光記録媒体に対して、発生する収差を補正するよう設定される。したがって、波長λ１，λ２で用いる回折光の次数を、それぞれＮ21，Ｎ22とするとき、｜Ｎ22｜＜｜Ｎ21｜が成り立つよう設定する。本実施形態１ではＮ21＝−２，Ｎ22＝−１を用いた。

この２番目の領域５０２ｂの光路差係数は、（表２）に示した中心領域５０１ａと同じである。なお、異なる光路差係数にしても良い。

また、２番目の領域５０２ｂは、ＣＤ系光記録媒体１３７に対しては開口を制限する機能を有するよう、−３次回折光が発生しない階段状の溝深さが設定されている。本実施形態１の中心領域５０２ａと２番目の領域５０２ｂのピッチの最小値は５２μｍ、輪帯数は２１である。

前述の回折構造は、波長λ１の光束に対しては、そのまま透過させ、ＢＤ系光記録媒体に集光し、かつ回折させて、ＨＤ系光記録媒体の基板厚の違いにより生じる球面収差を補正するように形成されている。つまり入射光の一部を０次回折光、一部を±１次以上の回折光として出射するため、対物レンズ１０６と組み合わせた２焦点レンズの構成となる。同じ波長で、異なる基板厚を有するＢＤ系，ＨＤ系光記録媒体上にそれぞれ回折限界まで集光するスポットを形成する。この回折面により、回折された光束と回折されない光束は、光軸上の異なる焦点位置に集光され、それぞれの光記録媒体にスポットを形成する。しかし、一方の焦点で情報の記録再生をしているときには、他方の焦点を集光点とする光束は大きく広がっており光強度は小さく、記録再生には影響を与えない。

次に、回折面５０２の各段の高さについて図９を用いて説明する。回折光学系では、入射光のすべてのエネルギーが射出光に変換されるのではなく、回折効率と呼ばれる効率でしか変換されない。図９の破線に示すような鋸歯状のキノフォーム形状は、ある波長でブレーズ化されると、その波長での回折効率は薄型近似の場合、理論的には１００％である。回折面５０２は、３波長のうち、４０５ｎｍの第１の光束に対しては０次回折光、６６０ｎｍ，７８５ｎｍの第２，第３の光束に対しては±１次以上の回折光として使用し、図９のような階段近似した形状とする。

なお、階段形状とは、鋸歯状のキノフォーム形状を近似した形状のことであり、階段形状の傾斜方向とは、鋸歯状の傾斜方向のことである。また、階段形状にすると、理想的なキノフォーム形状を製作するよりも容易となる。さらに、０次回折光とは、入射光の入射する際の進行方向をそのまま保つ透過光のことである。

回折面５０２における中心領域５０２ａは、入射してくる平行光束で、ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体に対して同時に、収差を補正するため、波長λ１，λ２，λ３の光束で用いる回折光の次数は｜Ｎ12｜＜｜Ｎ11｜＜｜Ｎ13｜の関係、さらに、第１の光束に対しては、０次回折光を用いる。したがって、それぞれの光束における回折光の効率が大きくなるように、回折構造の高さを設定しなければならない。

図９において階段状の溝深さをＤ、鋸歯状の溝深さをＨ、階段形状の段数をＭとすると、例えば４段の場合、０次回折光、±１次回折光と±２次回折光の最大の回折効率となる溝深さの位相差は（表３）のようになる。また、（表４）は、Ｍ段の場合に一般化したときの、一段あたりの位相差を示している。（表４）のような条件に一段の高さを設定すると、所望の回折次数を最も効率よく得ることができる。

また、各光束で所望の回折次数の効率が大きくなるように、材料と高さを選定する。本実施形態１では、段数を３段にして、第２の光束に対しては−１次回折光、第３の光束に対しては−２次回折光を用いる。材料にＰＭＭＡを用いる場合、全段の溝深さＤを９．９μｍとすると、どの波長に対しても所望の効率を得ることができる。

次に、回折面５０２の２番目の領域５０２ｂは、第１，第２の光束に対しては、回折して収差を補正し、第３の光束に対してはＣＤ系光記録媒体上に集光しないようにする。本実施形態１では、３段で溝深さＤを１．９μｍとし、第３の光束の−３次光の回折光が発生しない溝深さに設定した。

第３の光束において、図１０（ａ）にＣＤ系光記録媒体１３７上に集光するときの光束、図１０（ｂ）にＣＤ系光記録媒体１３７上におけるスポットの様子を示す。中心領域５０２ａを通過する光束は−３次光として、ＣＤ系光記録媒体１３７上に集光される。一方、２番目の領域５０２ｂを通過する光束は、０次回折光として、そのまま透過するため、ＣＤ系光記録媒体１３７上では、集光せず周辺にフレア光として大きく広がり、記録再生に影響しない。

また、回折面５０２の３番目の領域５０２ｃは、回折構造のない平坦部になっている。図３の第３の領域５０２ｂの平坦部の高さは、回折構造の最下段に対して第１の光束の波長の整数倍になるように設定する。本実施形態１では、波長の５倍の位相差に相当する４．０μｍに設定した。

この３番目の領域５０２ｃの平坦部を透過した光束は、ＨＤ系，ＤＶＤ系、ＣＤ系の光記録媒体に対しては有効径外となるため、スポット形成には不要光となり、図１０（ｂ）で示したのと同様にフレア光として大きく広がる。一方、第１の光束に対しては、中心領域５０２ａ，２番目の領域５０２ｂの最下段に対して波長の整数倍の位相差となるように高さを設定した。本実施形態１では波長の５倍の４μｍとしたが、これに限定されるものではない。

階段形状の回折素子の回折効率は、段数が多いほど、図９の破線に示すような鋸歯状のキノフォーム形状に近づくため、回折効率は向上する。しかしながら、段数が多いと一段あたりのピッチが狭くなり、製造が困難になり、製造誤差によるだれなどによる影響で効率低下が発生する。

また、ピッチが同じ場合、溝深さＤは低いほうが、効率が良い。さらに波長や温度変動による効率低下の影響を受けにくい。そのため、回折構造としては、溝深さＤが低く、段数が多い方が望ましいことが知られている。

本実施形態１のように、ピッチが狭くなる周辺部は効率が低下する。その様子を図１１に示す。光源の強度分布２０３に対して、中心領域５０２ａは周辺にいくに従い、光量の低下が著しくなることが分かる。また、２番目の領域５０２ｂは中心領域５０２ａよりもさらにピッチが狭くなるが、本実施形態１では、２番目の領域５０２ｂは中心領域５０２ａよりも溝深さが低いため、効率の低下を低減することができ、光利用効率を上げることができる。なお、回折構造の段数と高さや材料は、前記の記載に限定されるものではない。

以上のように、溝深さを変えるだけで、容易に不要光が発生しない開口制限を実現することができる。

次に、本実施形態１の収差補正手段の外形形状について、詳細に説明する。図４に示したように、収差補正手段５０１の外形の形状を、回折部（中心領域５０２ａ，２番目の領域５０２ｂ）と平坦部（３番目の領域５０２ｃ）との境界と同様の円形状とする。なお、円形状とは、多角形を含み、図１２に示すような８角形においても、同様の効果が得られる。

本実施形態１で用いているＰＭＭＡ等の樹脂は、射出成形ができる等の強みがあるため光学部品に最も広く使用され、かつ大量生産しやすいという特徴があるが、一方で吸湿性が弱点として挙げられる。これは屈折率や透過率といった光学特性を変動させるだけでなく、変形としても現れる。

図１３（ａ）〜（ｄ）に収差補正手段の外形形状が四角の形状の場合の波長４０５ｎｍの透過光の波面形状を示す。図１３（ａ）は光線有効径内における中心領域５０２ａ，２番目の領域５０２ｂ，３番目の領域５０２ｃすべての領域における透過波面測定の結果であり、波面形状を示す。図１３（ｂ），（ｃ）は図１３（ａ）の結果を領域（回折部と平坦部）に分割して波面測定した結果である。図１３（ｂ）は回折部（回折構造が形成された中心領域５０２ａと２番目の領域５０２ｂ）領域内のみの透過波面形状５０２ｇ、図１３（ｃ）は平坦部（３番目の領域５０２ｃ）のみの透過波面形状５０２ｆを示す。

波面形状をもとに波面収差を計算したところ、図１３（ａ）の光線有効径内の波面形状はＰＶ（Ｐeak to Ｖalley）値が０．５λ、波面収差０．１λｒｍｓと波面精度が非常に悪い。通常、光学部品の波面収差は０．０２λｒｍｓ以下であることが望ましい。図１３（ｂ）の回折部の領域内の波面収差は、０．０２λｒｍｓとなり良好な波面精度であるのに対して、図１３（ｃ）の平坦部（３番目の領域５０２ｃ）の波面収差は０．１３λｒｍｓと大きく、光線有効径内の波面精度が悪い原因は、平坦部にあることが分かる。図１３（ｄ）は平坦部の波面形状を円周方向に沿って、プロットしたものである。平坦部は収差補正手段５０１の四角の形状に沿って、うねりが発生しており波面劣化の要因となっていると考えられる。

このうねりの要因は、回折部と平坦部との境界において、外形の四角形の辺から近いところ５０２ｄと遠いところ５０２ｅが存在し、近いところ５０２ｄと遠いところ５０２ｅではＰＭＭＡの吸湿に差異がある。この吸湿の差異が変形の差異となり、うねりが発生している。

図１４（ａ）〜（ｄ）は本実施形態１の収差補正手段５０１の波長４０５ｎｍの透過光の波面形状を示す図である。形状は円である。図１４（ａ）は光線有効径内における中心領域５０２ａ，２番目の領域５０２ｂ，３番目の領域５０２ｃの透過波面測定の結果であり、波面形状を示す。図１４（ｂ），（ｃ）は図１３（ａ）の結果を領域（回折部と平坦部）に分割して波面測定した結果である。図１４（ｂ）は回折部（回折構造が形成された中心領域５０２ａと２番目の領域５０２ｂ）領域内のみの透過波面形状５０２ｇ、図１４（ｃ）は平坦部（３番目の領域５０２ｃ）のみの透過波面形状５０２ｆを示す。

図１４（ｄ）は平坦部の波面形状を円周方向に沿って、プロットしたものである。図１４（ａ）の光線有効径内の波面形状より波面収差を計算するとＰＶ値が０．１λ、波面収差０．０２λｒｍｓ、図１４（ｂ）の回折部の領域内の波面収差は、０．０１５λｒｍｓ、図１４（ｃ）の平坦部（３番目の領域５０２ｃ）の波面収差は０．０１７λｒｍｓであり、周辺部のうねりはなく良好な波面精度である。

このように、収差補正手段５０１の外形形状を、回折部と平坦部との境界と同様の円形状にすることで、ＰＭＭＡの吸湿による形状の変化が均一化され、うねりを低減することができ、高精度な光ピックアップを実現することができる。

図１５は、実施形態２の光ピックアップの概略構成を示す図である。本実施形態２の光ピックアップは、実施形態１の図１に示した光ピックアップにビームエキスパンダ１０９および収差補正手段６０１を設けて構成した点で相違している。また、図１６に収差補正手段６０１の拡大した断面図を示す。実施形態２は参考技術の実施形態である。

前述の実施形態１がすべて平行光の入射であったのに対して、本実施形態２では、ＨＤ系光記録媒体１１４７に対しては収差補正手段６０１に発散光を入射させる。このためにビームエキスパンダ１０９を可動して発散光にする。その他にも、液晶素子を用いて、平行光と発散光を切り替えても良い。

図１６に示すように収差補正手段６０１の回折面６０２は、光束が通過する範囲内に、同心円状に分割された３つの領域として、中心領域６０２ａ，２番目の領域６０２ｂ，３番目の領域６０２ｃを有する。

中心領域６０２ａ、２番目の領域６０２ｂは、実施形態１と同様に、ＣＤ系光記録媒体１３７に対するＮＡ０．４５、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に対するＮＡ０．６５でそれぞれ分割され、半径はそれぞれ１．２５ｍｍ、１．７１５ｍｍに設定する。

本実施形態２では、回折光の次数の符号を中心領域６０２ａと２番目の領域６０２ｂで反転させることにより、第１，第２，第３の光束の回折効率と凹凸形状と高さの関係を大きく変化させることができる。そのため、効率の良い収差補正手段および記録再生に影響しない開口制限素子としての機能を一面で提供することができる。

また、ＢＤ系、ＨＤ系、ＤＶＤ系、ＣＤ系の光記録媒体のうちいずれかひとつに対しては、収差補正手段６０１に発散光を入射させることで、回折光の次数を小さくすることができ、効率の良い光ピックアップを提供できる。

収差補正手段６０１の中心領域６０２ａの断面は図１６に示されるように同心円状に形成された複数の輪帯状凹凸部からなる。各輪帯状凹凸部は階段形状であり、３つの段を有する。輪帯状凹凸部のピッチは、この回折構造がレンズ効果を有するように内側から外側に向かって徐々に狭くなっている。

輪帯状凹凸部のピッチは、ＨＤ系光記録媒体１１７に対しては−１次回折光を用い、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に対しては−１次回折光を用い、ＣＤ系光記録媒体１３７に対しては−２次回折光を用い、それぞれで発生する収差を補正するよう設定される。

実施形態１の中心領域５０２ａと段数，溝深さ，回折光の次数ともに同様であり、回折構造がレンズ効果を有するように内側から外側に向かって徐々に狭くなっている。輪帯状凹凸部のピッチは、ＤＶＤ系光記録媒体１２７に対しては−１次回折光を用い、ＣＤ系光記録媒体１３７に対しては−２次回折光を用い、発生する収差を補正するよう設定される。ＨＤ系光記録媒体１１７に対しては、ビームエキスパンダ１０９により発散光に変換された光束を収差補正手段６０１へ入射させ、−１次回折光により発生する収差を補正している。

また、収差補正手段６０１の２番目の領域６０２ｂの断面も、図１６に示されるように同心円状に形成された複数の輪帯状凹凸部からなる。各輪帯状凹凸部は階段形状であり、４つの段を有する。輪帯状凹凸部のピッチは、この回折構造がレンズ効果を有するように内側から外側に向かって徐々に狭くなっている。

また、輪帯状凹凸部のピッチは、ＨＤ系，ＤＶＤ系光記録媒体１１７，１２７に対しては＋１次回折光を用い、発生する収差を補正するよう設定される。

この２番目の領域６０２ｂは、ＣＤ系光記録媒体１３７に対しては開口を制限する機能を有するよう、＋２次回折光が発生しない階段形状の溝深さが設定されている。

図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）にＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系の各光記録媒体における波面を示す。横軸が瞳径、縦軸が位相（λ）である。図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように波面収差が小さくなり、ＨＤ系，ＤＶＤ系，ＣＤ系の各光記録媒体を同時に補正できていることが分かる。

図１８は本発明の実施形態３における収差補正手段の構成を示す断面図である。本実施形態３の収差補正手段７０１は、実施形態１，２に示した収差補正手段５０１，６０１の平坦部を形成する３番目の領域５０２ｃ，６０２ｃのいずれかの領域に段差７０４を設けたものである。この段差７０４により、波長が短く、ＮＡの大きいＢＤ系光記録媒体１０７に対して発生する色収差を補正する。

光記録媒体に情報の記録，再生を行う光情報処理装置は、半導体レーザを光源としているが、この半導体レーザの発振波長は、個々に異なっていたり、温度の変化に伴い変動したりする。特に、光学材料の屈折率は、波長により変化する性質（分散）を持つため、光源の波長が変動すると３次の球面収差が発生する。したがって、情報の記録，再生時、この球面収差が光学的な課題の一つとなる。この波長が変化したときの球面収差発生量は、光源の短波長化と高ＮＡ化により大きくなる。

これは、波長を短くすると光学材料の屈折率変化が大きくなり、波長が変化したときの球面収差変化量が大きくなることと、球面収差変化はＮＡの４乗に比例して大きくなるためである。したがって、波長が変化したときの記録，再生における光情報の劣化に与える影響はより大きくなる。

図１９に、波長４０５ｎｍにおいてＮＡ０．６５とＮＡ０．８５の対物レンズを使用したときの波長変動による波面収差の変化を示す。図１９に示すように、ＮＡ０．６５では対物レンズ設計波長である４０５ｎｍから１０ｎｍ波長が変動しても、対物レンズの要望性能である０．０３λｒｍｓ以下であるのに対して、ＮＡ０．８５では３ｎｍ波長が変動すると０．０３λｒｍｓを超えてしまい、情報の記録，再生が行えなくなるおそれがある。

一般的に光情報処理装置の動作環境として、温度を１０℃から８０℃まで想定すると、半導体レーザの波長は、３ｎｍ程度変動する。また、中心波長ばらつきが±５ｎｍ程度と想定する必要がある。したがって、ＮＡ０．８５の対物レンズを用いる光学系では、このような波長変化による球面収差を補正する必要がある。

また、収差補正手段７０１の段差７０４における段差構造は、光軸方向に、光軸を中心とした同心円状に領域に分割されており、光軸から離れるにしたがって、厚みが増すように形成されている。それぞれの領域における厚みの段差は、対物レンズ設計波長４０５ｎｍの整数倍の光路差を生じるように、形成されている。

図２０に形成された段差７０４の位相段差を示す。横軸は半径位置、縦軸は位相段差数Ｎを示す。本実施形態３では、Ｎ＝８，１４を用いて、３番目の領域８０３ｃに段差を設けた。したがって、この段差に影響を受けるのは、ＢＤ系光記録媒体へスポットを形成するときである。

回折面７０２に段差７０４がないときの波長変化による球面収差量は、図２１の破線のようになるのに対して、前述の段差７０４を形成すると、図２１の実線のように３次の球面収差を補正することができる。ここで例えば、波長が６ｎｍ変化した場合の、波面の位相の様子を図２２に示す。位相段差を付与したところで、波面の位相が不連続になっていることが分かる。このように波面を不連続に変化させ、３次の球面収差を補正している。

なお、段差７０４の高さ、段差の境の半径位置は、対物レンズの形状、対物レンズの設計波長、収差補正手段を構成する材料、開口数（ＮＡ）によって異なり、本実施形態３に限定されるものではない。

本発明の実施形態４における収差補正手段は、実施形態１〜３に記載した回折面を対物レンズと一体化した構成である。本実施形態４は図２３に示すように、例えば実施形態２の収差補正手段６０１と対物レンズ１０６を一体化した構成である。図２３のように対物レンズ１０６の面上に回折面６０２が形成されていると、対物レンズ１０６と収差補正素子６０１との軸ずれによる波面劣化が低減できるだけでなく、組み付け工程も低減し、低コスト化を実現できる。

対物レンズ１０６の面上へ形成する回折面６０２の形成は、対物レンズ１０６と一体に成型しても良い。対物レンズ１０６の面上に回折構造を別途形成しても良い。その場合、回折構造の材料としては、紫外線硬貨樹脂が製造上適している。

図２４（ａ），（ｂ）は本発明の実施形態５における収差補正手段を示す拡大断面図である。本実施形態５における光ピックアップの構成や対物レンズは実施形態１と同じである。図２４（ａ），（ｂ）に示す収差補正手段８０１には、実施形態１の収差補正手段５０１の裏面に、図１に示す１／４波長板１０６に代えて、波長板８０５が形成されている。

波長板８０５は光学系が共通化されている光路中に設けられているため、波長４０５，６６０ｎｍ，７８５ｎｍという広い範囲で、通過する光束のＴＭ波、ＴＥ波に対して０．２５±０．０５の位相差を与える必要がある。一般的な波長板は、波長板８０３ａのように微細構造を有するもの（図２４（ａ）参照）、波長板８０５ｂのように水晶など高価な素材や樹脂フィルム製の位相差フィルムを用いているもの（図２４（ｂ）参照）、があげられる。特に、波長板８０３ａのように微細構造を有するものは、広い波長域で安定に位相差を与えることができる。この微細構造は収差補正手段８０１と同じの材料であっても良いし、異なる材料であっても良い。

本実施形態５のように、波長板８０５と回折面８０２を収差補正手段８０１の両面に形成すれば部品点数を減らすことができ、小型化を実現することができる。また微細構造により波長板８０５を形成すると、収差補正手段８０１を一体に成型することができ、製造工程を減らすことができ低コスト化を実現することができる。さらに、有限系にするための液晶素子と回折面を両面に形成した収差補正手段であっても良い。

図２５は本発明の実施形態６における光情報処理装置の概略構成を示す図である。本実施形態６は、光情報処理装置の一形態であり、前述の実施形態１〜５のいずれかの光ピックアップを用いて、光記録媒体に対する情報の再生、記録、消去のうちの、少なくとも１つを行う装置である。

図２５に示すように、光情報処理装置は光学ピックアップ９１、送りモータ９２およびスピンドルモータ９８等により構成されており、これらは光情報処理装置全体を制御するシステムコントローラ９６により制御される。そして、光ピックアップ９１のトラッキング方向への移動は、送りモータ９２とサーボ制御回路９３で構成される制御駆動手段により行われる。例えば、光記録媒体１００を再生する場合、システムコントローラ９６からのコントロール信号がサーボ制御回路９３と変復調回路９４に供給される。

サーボ制御回路９３では、スピンドルモータ９８を設定された回転数で回転させるとともに送りモータ９２を駆動する。

変復調回路９４には、光ピックアップ９１の光検出器により検出されたフォーカシングエラー信号，トラッキングエラー信号および光記録媒体１００の何処を読み出しているかの位置情報等が供給される。フォーカシングエラー信号およびトラッキングエラー信号はシステムコントローラ９６を介してサーボ制御回路９３に供給される。

サーボ制御回路９３は、フォーカシング制御信号によってアクチュエータのフォーカシングコイルを駆動し、トラッキング制御信号によってアクチュエータのトラッキングコイルを駆動する。トラッキング制御信号の低域成分はシステムコントローラ９６を介してサーボ制御回路９３に供給され、送りモータ９２を駆動する。これらによって、フォーカシングサーボ、トラッキングサーボおよび送りサーボのフィードバックサーボが行われる。

また、光記録媒体１００の何処を読み出しているかの位置情報は変復調回路９４により処理され、スピンドル制御信号としてスピンドルモータ９８に供給され、光記録媒体１００の再生位置に応じた所定の回転数に制御駆動され、ここから実際の再生が開始される。そして、変復調回路９４により処理されて復調された再生データは外部回路９５を介して外部に伝送される。

データを記録する場合、フォーカシングサーボ，トラッキングサーボおよび送りサーボのフィードバックサーボをかけるまでは再生と同様の過程を経る。

外部回路９５を介して入力される入力データを光記録媒体１００の何処に記録するかのコントロール信号が、システムコントローラ９６からサーボ制御回路９３および変復調回路９４に供給される。

サーボ制御回路９３では、スピンドルモータ９８を所定の回転数に制御するとともに、送りモータ９２を駆動して光ピックアップ９１を情報記録位置に移動させる。

また、外部回路９５を介して変復調回路９４に入力された入力信号は、記録フォーマットに基づく変調が行われ、光ピックアップ９１に供給される。光ピックアップ９１では出射光の変調および出射光パワーが制御されて、光記録媒体１００への記録が開始される。

光記録媒体１００の種類は再生データ信号で判別する。光記録媒体１００の種類を判別する方法として、トラッキングサーボ信号やフォーカスサーボ信号を用いても良い。

再生専用の光情報処理装置および記録と再生の両方の処理可能な光情報処理装置に具備される光ピックアップに、本発明の収差補正手段を用いた光ピックアップを具備していれば、基板厚の異なる光記録媒体の情報の記録、再生品質の精度を高めることができる。

以上のように、本実施形態６における光情報処理装置によれば、単一の対物レンズ１０６により異なる基板厚さを有する４種類の光記録媒体（ＢＤ，ＨＤ，ＤＶＤ，ＣＤ）の記録面に良好なスポットが形成可能な光ピックアップを用いて、光記録媒体１００に対して情報信号の記録，再生または消去の最適な処理を行うことができる。

本発明に係る光ピックアップおよび光情報処理装置は、使用波長に応じた複数の光源を備えながら、単一の対物レンズにより基板厚さと記録密度の異なる４種類の光記録媒体の記録面に良好に集光し、安定した記録，再生の動作ができ、異なる４種類以上の光記録媒体に対して情報を記録，再生する際に、互換性を有する装置として有用である。

本発明の実施形態１における光ピックアップの概略構成を示す図 収差補正手段の近傍を拡大した断面図 収差補正手段を拡大した断面図 収差補正手段の回折面を示す図 入射光が４段の階段形状の回折構造を通過する−１次回折光の波面の様子を示す図 入射光が４段の階段形状の回折構造を通過する±２次回折光の波面の様子を示す図 （ａ）はＨＤ系、（ｂ）はＤＶＤ系、（ｃ）はＣＤ系の各光記録媒体における波面を示す図 （ａ）はＨＤ系、（ｂ）はＤＶＤ系、（ｃ）はＣＤ系の各光記録媒体における補正した波面を示す図 回折面の高さ（溝深さ）を説明する図 （ａ）はＣＤ系光記録媒体上に集光する光束、（ｂ）はＣＤ系光記録媒体上に形成されるスポットを示す図 回折面と回折光の強度分布の関係を示す図 収差補正手段の外形の形状を示す図 （ａ）〜（ｄ）は収差補正手段が四角形状で波長４０５ｎｍの透過光の波面形状を示す図 （ａ）〜（ｄ）は収差補正手段が円形状で波長４０５ｎｍの透過光の波面形状を示す図 実施形態２における光ピックアップの概略構成を示す図 収差補正手段の近傍を拡大した断面図 （ａ）はＨＤ系、（ｂ）はＤＶＤ系、（ｃ）はＣＤ系の各光記録媒体における波面を示す図 本発明の実施形態３における収差補正手段を拡大した断面図 波長４０５ｎｍにおいてＮＡ０．６５とＮＡ０．８５の対物レンズを使用したときの波長変動による波面収差の変化を示す図 収差補正手段に形成された位相段差を示す図 段差の有無による波長変化の球面収差量を示す図 波長が６ｎｍ変化したときの波面位相の様子を示す図 本発明の実施形態４における収差補正手段を対物レンズの面上に一体化した構成図 本発明の実施形態５における（ａ），（ｂ）は裏面に波長板を設けた収差補正手段の断面図 本発明の実施形態６における光情報処理装置の概略構成を示す図

符号の説明

９１ 光ピックアップ
９２ 送りモータ
９３ サーボ制御回路
９４ 変復調回路
９５ 外部回路
９６ システムコントローラ
９８ スピンドルモータ
１００ 光記録媒体
１０１，１３０ａ，１４０ａ 半導体レーザ
１０２ コリメートレンズ
１０３ 偏光ビームスプリッタ
１０４ プリズム
１０５ １／４波長板
１０６ 対物レンズ
１０７ ＢＤ系光記録媒体
１０８ 検出レンズ
１１０，１３０ｃ，１４０ｃ，１５０ 受光素子
１１７ ＨＤ系光記録媒体
１２０ 可動部
１２１ 鏡筒
１２７ ＤＶＤ系光記録媒体
１３０ｂ，１４０ｂ ホログラム素子
１３２，１４２，１５２ 発散角変換レンズ
１３３，１４３ 波長選択性ビームスプリッタ
１３７ ＣＤ系光記録媒体
２００ ピッチ
２０１ａ，２０２ａ 入射光
２０１ｂ，２０２ｂ 出射光
２０３ 光源の強度分布
５０１，６０１，７０１，８０１ 収差補正手段
５０２，６０２，７０２，８０２ 回折面
５０２ａ，６０２ａ，７０２ａ 中心領域
５０２ｂ，６０２ｂ，７０２ｂ ２番目の領域
５０２ｃ，６０２ｃ，７０２ｃ ３番目の領域
５０２ｄ 近いところ
５０２ｅ 遠いところ
５０２ｆ 平坦部の透過波面形状
５０２ｇ 回折部の透過波面形状
７０４ 段差
８０５，８０５ａ，８０５ｂ 波長板

Claims (5)

1. 基板厚：０．１ｍｍ、開口数：０．８５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＢＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＨＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ２＝６６０ｎｍのＤＶＤ系光記録媒体、基板厚：１．２ｍｍ、開口数：０．４５、使用波長：λ３＝７８５ｎｍのＣＤ系光記録媒体に対して、記録、再生、消去のうち１以上を行い得る光ピックアップであって、
   前記ＢＤ系光記録媒体とＨＤ系光記録媒体とに対応した前記波長：λ１を有する第１の光束を出射する第１の光源と、前記ＤＶＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ２を有する第２の光束を出射する第２の光源と、前記ＣＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ３を有する第３の光束を出射する第３の光源と、
   前記第１〜第３の光束を、前記４種の光記録媒体の各記録面に集光させる単一の対物レンズと、該対物レンズと前記第１〜第３の光源の間に設けた収差補正手段とを備え、
   前記対物レンズは、ＢＤ系光記録媒体に対して、波長：λ１の光束による収差が最小になるように設計され、
   前記収差補正手段に、前記第１〜第３の光束が全て、平行光として入射し、
   該収差補正手段の、光束が通過する光線有効径内に回折面が設けられ、該回折面は、開口数：０．４５に相当する中心領域と、開口数：０．４５〜０．６５に相当する２番目の領域と、開口数：０．６５〜０．８５に相当する３番目の領域とに同心円状に分割され、
   前記中心領域および２番目の領域には、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体における基板厚の相違と、使用波長の相違により生じる球面収差を補正し、かつ開口を切り替えるような回折構造が形成され、
   該回折構造のピッチが、単一の対物レンズを用いて、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体の、基板を透過する際に生じる球面収差を打ち消すように設定され、
   前記中心領域には、段数：３段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが低くなるような第１の回折構造が形成され、該第１の回折構造の段階状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−２次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−３次回折するように設定され、
   前記２番目の領域には、段数：３段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが低くなるような第２の回折構造が形成され、該第２の回折構造の階段状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−２次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−３次回折光を発生しないように設定され、
   前記３番目の領域は平坦であることを特徴とする光ピックアップ。
2. 基板厚：０．１ｍｍ、開口数：０．８５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＢＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ１＝４０５ｎｍのＨＤ系光記録媒体、基板厚：０．６ｍｍ、開口数：０．６５、使用波長：λ２＝６６０ｎｍのＤＶＤ系光記録媒体、基板厚：１．２ｍｍ、開口数：０．４５、使用波長：λ３＝７８５ｎｍのＣＤ系光記録媒体に対して、記録、再生、消去のうち１以上を行い得る光ピックアップであって、
   前記ＢＤ系光記録媒体とＨＤ系光記録媒体とに対応した前記波長：λ１を有する第１の光束を出射する第１の光源と、前記ＤＶＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ２を有する第２の光束を出射する第２の光源と、前記ＣＤ系光記録媒体に対応した前記波長：λ３を有する第３の光束を出射する第３の光源と、
   前記第１〜第３の光束を、前記４種の光記録媒体の各記録面に集光させる単一の対物レンズと、該対物レンズと前記第１〜第３の光源の間に設けた収差補正手段とを備え、
   前記対物レンズは、ＢＤ系光記録媒体に対して、波長：λ１の光束による収差が最小になるように設計され、
   前記収差補正手段に、前記第１〜第３の光束が全て、平行光として入射し、
   該収差補正手段の、光束が通過する光線有効径内に回折面が設けられ、該回折面は、開口数：０．４５に相当する中心領域と、開口数：０．４５〜０．６５に相当する２番目の領域と、開口数：０．６５〜０．８５に相当する３番目の領域とに同心円状に分割され、
   前記中心領域および２番目の領域には、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体における基板厚の相違と、使用波長の相違により生じる球面収差を補正し、かつ開口を切り替えるような回折構造が形成され、
   該回折構造のピッチが、単一の対物レンズを用いて、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体の、基板を透過する際に生じる球面収差を打ち消すように設定され、
   前記中心領域には、段数：４段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが低くなるような第１の回折構造が形成され、該第１の回折構造の段階状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−１次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−２次回折するように設定され、
   前記２番目の領域には、段数：３段の階段形状を繰り返し、該繰り返される各階段形状が、光軸中心から外側に向かって、光軸方向の溝深さが高くなるような第２の回折構造が形成され、該第２の回折構造の階段状の溝深さは、波長：λ１の第１の光束が０次光のまま透過するものと−１次回折するものとに分かれ、波長：λ２の第２の光束が−１次回折し、波長：λ３の第３の光束が−３次回折光を発生しないように設定され、
   前記３番目の領域は平坦であることを特徴とする光ピックアップ。
3. 請求項１または２記載の光ピックアップにおいて、
   前記回折面における、中心から３番目の領域に、光軸方向の厚さが異なる段差を形成したことを特徴とする光ピックアップ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ピックアップにおいて、
   前記対物レンズと収差補正手段が一体に形成され、前記収差補正手段の回折面の回折構造が、前記対物レンズのレンズ面に形成されたことを特徴とする光ピックアップ。
5. ＢＤ系光記録媒体、ＨＤ系光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体に対して、記録、再生、消去のうち１以上を行う光情報処理装置であって、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップを備えたことを特徴とする光情報処理装置。

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