JP4060007B2

JP4060007B2 - 光ディスク装置の光学系

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Publication number: JP4060007B2
Application number: JP11721399A
Authority: JP
Inventors: 晃一丸山
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2019-04-23
Also published as: DE10084505T1; TW469347B; JP2000311374A; KR20010112402A; WO2000065583A1; CN1347555A; US6791932B1; CN1136562C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、保護層の厚さが異なる複数種類の光ディスクに対する記録、あるいは再生を可能とする光ディスク装置の光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクは、情報が記録される記録面と、この記録面を覆う透明な保護層とを有し、この保護層を介して光ヘッドからのレーザー光が記録面に集光される。そして、光ディスクは、光ディスク装置のターンテーブルに搭載されて回転駆動され、光ディスクのラジアル方向に移動可能な光ヘッドにより情報が記録／再生される。ここで光ディスクの保護層の厚さが異なると、ターンテーブル面を基準とした記録面の位置が異なることとなり、これは、光ヘッドと記録面との距離が保護層の厚さによって変化することを意味する。
【０００３】
したがって、保護層の厚さが異なる複数の光ディスクに対応するためには、光ヘッドは保護層の厚さが大きくなるほどスポットを遠くに形成する必要がある。例えば、ＣＤ(コンパクトディスク)の保護層の厚さは1.2mmであるのに対し、ＤＶＤ(デジタルバーサタイルディスク)の保護層の厚さは半分の0.60mmであるため、これら両方の光ディスクに対する記録／再生を可能とするためには、レーザー光の集光位置を保護層中で０．６ｍｍ(空気換算で約０．４ｍｍ)移動させる必要がある。
【０００４】
集光位置を変化させるためには、対物レンズに入射するレーザー光の発散の度合い、すなわち物体距離を変化させる方法、または、対物レンズに入射するレーザー光を平行光として保ったまま対物レンズを光軸方向に移動させる方法とが考えられる。物体距離を変化させるためには、例えば光源である半導体レーザーとコリメートレンズとの間隔を変化させればよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発散度合いを変化させる方法では、発散の度合いが強くなるにしたがい(物体距離が短くなるにしたがい)、球面収差がアンダー側に大きく変化(レンズの近距離変化)するため、スポットの収束性能が劣化して情報の記録／再生にエラーが生じるという問題がある。なお、保護層は収束光中に配置された平行平面板であるため、厚くなるほど球面収差をオーバー側に変化させ、上記の近距離変化によるアンダー側への変化を打ち消す方向に作用する。ただし、近距離変化による球面収差の変化は、厚さの変化による球面収差の変化より大きいため、結果的にアンダーの球面収差が残存する。
【０００６】
一方、光ヘッドには、光ディスクのそりや歪みによる記録面位置の変動にレーザー光の集光位置を追随させるため、対物レンズをその光軸方向に微調整するオートフォーカス機構が備えられている。したがって、対物レンズを移動させる方法では、このオートフォーカス機構の移動範囲を大きく設定することにより、保護層の厚さの違いに対応させることも可能である。ただし、この方法では、例えばＣＤとＤＶＤとを用いる場合には、フォーカシング機構に０．４ｍｍより長い移動ストロークが必要となる。一般に、移動ストロークが大きくなれば、移動に伴う対物レンズの光軸の倒れも大きくなるため、大ストロークで倒れを防ぐためには機構が複雑化し、コストがかかる。
【０００７】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑み、対物レンズを移動させることなく保護層の厚さが異なる複数種類の光ディスクに対応可能な光ディスク装置の光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる光ディスク装置の光学系は、波長の比較的短い第１のレーザー光と波長の比較的長い第２のレーザー光とを選択的に発する光源部と、正のパワーを有する屈折レンズの少なくとも一方のレンズ面に微細な輪帯状の段差を有する回折レンズ構造を形成して構成され、光源部からのレーザー光を光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる対物レンズとを備え、保護層の厚さが比較的薄い第１の光ディスクと保護層の厚さが比較的厚い第２の光ディスクとに対して記録あるいは再生が可能に構成され、以下の要件を満たすことを特徴としている。
(ａ) 光源部は、第１のレーザー光を第２のレーザー光より強い発散度合いで対物レンズに対して入射させる。
(ｂ) 回折レンズ構造は、周辺部に向かってパワーが弱くなる方向の特性を持たせることにより、入射光の波長が長波長側に変化するにしたがって球面収差がオーバーとなる方向に変化する球面収差特性を有する。
(ｃ) 回折レンズ構造における同一次数の回折光を第１、第２の光ディスクの記録面位置に集光させる。
【０００９】
光源部からのレーザー光に上記(ａ)を満たす発散度合いの差を与えることにより、近軸的には集光位置を保護層の厚さに応じて切り替え、第１，第２の光ディスクの記録面に一致させることができる。ただし、このままでは前述のように発散度合いが強くなる第２の光ディスクに対して球面収差がアンダーとなるため、この球面収差を回折レンズ構造によりオーバー側に補正する。このため、回折レンズ構造には、上記(ｂ)を満たすような波長依存性を与え、保護層の厚さに応じて波長を切り替えることとしている。なお、上記(ｃ)のように同一次数の回折光を保護層の厚さが異なるディスクに対して共に用いることにより、単一の次数についてのみ回折効率が高くなるように回折レンズ構造を設計することができ、入射光の光量を有効に利用することができる。
【００１０】
回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐn、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(Ｐ₂ｈ²＋Ｐ₄ｈ⁴＋Ｐ₆ｈ⁶＋…)×λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表わされる。このとき、２次の光路差関数係数Ｐ₂、ＮＡ０．４５相当の光線が回折構造の存在する面を通過する高さをｈ₄₅として、以下の条件(１)を満たすことが望ましい。
７＜ φ(ｈ₄₅)／λ−Ｐ₂(ｈ₄₅)² ＜１５ …(１)
【００１１】
また、第１の光ディスクの保護層の厚さが０．６０ｍｍ、第２の光ディスクの保護層の厚さが１．２ｍｍである場合、第１のレーザー光の波長λ₁、第２のレーザー光の波長λ₂は、以下の条件(２)を満たすよう設定されることが望ましい。
０．８１＜λ₁／λ₂＜０．８５ …(２)
【００１２】
少なくとも光軸近傍の領域では、回折レンズ構造のブレーズ化波長λ_Bが、λ₁＜λ_B＜λ₂を満たすことが望ましく、さらには、以下の条件(３)及び(４)を満たすことが望ましい。
０．８７＜λ_B／λ₂ …(３)
λ_B／λ₁＜１．１３ …(４)
【００１３】
周辺部の領域において回折レンズ構造の微細な段差により与えられる光路差を、光軸近傍の領域において回折レンズ構造の微細な段差により与えられる光路差より短くすることができる。また、回折レンズ構造が形成されたレンズ面の少なくとも有効径の８５％より外側の部分を、段差のない連続非球面として形成してもよい。さらに、光源部は、第１のレーザー光をほぼ平行光として、第２のレーザー光を発散光として対物レンズに入射させることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光ディスク装置の光学系の実施形態を説明する。実施形態の光学系は、保護層の厚さが異なる２種類の光ディスク、この例では厚さ０．６０ｍｍの保護層を持つ高記録密度ディスク(例えばＤＶＤ)と、厚さ１．２ｍｍの保護層を持つ低記録密度ディスク(例えばＣＤ，ＣＤ−Ｒ)に対して記録あるいは再生が可能である。図１及び図２は、実施形態にかかる光ディスク装置の光学系を示す説明図であり、図１は高記録密度ディスクＤ1への記録・再生時、図２は低記録密度ディスクＤ2の再生時をそれぞれ示している。また、図３は、図１及び図２の光学系で使用される対物レンズの構造を模式的に示す説明図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、この光学系は、光源部１０、コリメートレンズ２０、対物レンズ３０、そして信号検出系４０から構成されている。光源部１０は、高記録密度ディスクＤ1の記録・再生時に比較的短波長の第１のレーザー光(波長λ₁)を発光する第１の半導体レーザー１１と、低記録密度ディスクＤ2の再生時に比較的長波長の第２のレーザー光(波長λ₂)を発する第２の半導体レーザー１２と、第１、第２の半導体レーザー１１，１２からのレーザー光をそれぞれ対物レンズ３０へ向けて反射させる第１，第２のビームスプリッタ１３，１４とを備えている。なお、第２の半導体レーザー１２と第２のビームスプリッタ１４との間には、３ビーム法によるトラッキングエラー検出のためにビームを３分割する回折格子１５が配置されている。
【００１６】
コリメートレンズ２０は、単体の正レンズであり、第１の半導体レーザー１１からのレーザー光を図１に示すように平行光として対物レンズ３０に入射させるようにそのパワーが設定されている。第２の半導体レーザー１２は、第１の半導体レーザー１１よりもコリメートレンズ２０までの距離が短くなるよう配置されており、第２の半導体レーザー１２からのレーザー光は、図２に示すように発散光として対物レンズ３０に入射する。このように対物レンズ３０に入射するレーザー光の発散の度合い(物体距離)を変化させることにより、対物レンズ３０を移動させずに近軸的な集光点の位置を保護層内で0.6mmずらして各光ディスクの記録面上に一致させることが可能である。
【００１７】
対物レンズ３０は、ＰＭＭＡ等のプラスチック製であり、光源部１０側の第１面３０ａ、及びディスク側の第２面３０ｂが共に非球面として形成された１群１枚構成のレンズである。対物レンズ３０は、保護層に対する位置を変化させずに、第１のレーザー光(波長λ₁)を高記録密度ディスクＤ1の保護層を介して記録面位置に集光させ、第１のレーザー光より強い発散度合いで入射する第２のレーザー光(波長λ₂)を低記録密度ディスクＤ2の記録面位置に集光させる。対物レンズ３０の第１面３０ａには、中央部に微細な輪帯状の段差を有する回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、入射光の波長が長波長側に変化するにしたがって球面収差がオーバーとなる方向に変化するような球面収差特性を有している。
【００１８】
光ディスクにより反射され、ビームスプリッタ１３，１４を透過した収束光は、信号検出系４０に入射し、平凹レンズ４１により収束度合いが弱められ、ビームスプリッター４２により二分され、透過光はシリンドリカルレンズ４３を介して第１のセンサ４４に入射し、反射光はシリンドリカルレンズ４５を介して第２のセンサ４６に入射する。
【００１９】
対物レンズ３０に入射する光束の物点から対物レンズ３０の前側主点までの距離をｓ、対物レンズの焦点距離をｆ、対物レンズの後側主点から像点までの距離ｓ’とすると、
−１／ｓ＋１／ｆ＝１／ｓ’
であるから、例えばf=3.6mm、第１のレーザー光の波長を650nmとしてｓを∞とすると、
ｓ’＝3.6
となる。第２のレーザー光の波長を780nmとして0.4mm(保護層内で0.6mmに相当)だけ像点が離れるように、ｓ’＝4.0mmにするためには、
−１／ｓ＋１／ｆ＝1／4.0
となる。対物レンズ３０の焦点距離が変わらないとすると、
−１／ｓ＋１／3.6＝1／4.0
１／ｓ＝１／3.6−1／4.0＝１／３６
となり、物体距離を36mmにすればよいことがわかる。第１，第２の半導体レーザーとコリメートレンズ１５との位置関係は、このような物体距離の条件を満たすように設定されている。
【００２０】
ただし、光ディスク装置用の対物レンズのように球面収差と正弦条件とを補正したレンズは、物体距離を変えると球面収差が変化するため、単に物体距離を変化させるのみでは、前述のように発散度合いが強くなる第２の光ディスクに対して球面収差がアンダーとなる。そこで、この球面収差を回折レンズ構造によりオーバー側に補正することとしている。回折レンズ構造のパワー、収差補正作用は、波長に比例するため、物体距離の変化により発生する球面収差を補正するためには、回折レンズ構造は波長が長くなるに従い球面収差をオーバーにする方向、すなわち、周辺部に向かってパワーが弱くなる方向の特性を持てばよい。
【００２１】
次に、図３に基づいて対物レンズ３０の構造について詳細に説明する。図３は、実施形態にかかる対物レンズ３０を示す説明図であり、(Ａ)は正面図、(Ｂ)は側面図、(Ｃ)は側面の一部拡大図である。対物レンズ３０は、非球面である２つのレンズ面３０ａ，３０ｂを有する両凸の単レンズであり、一方のレンズ面３０ａの中心部３１に図３(Ａ)に示したように光軸を中心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成されている。回折レンズ構造は、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持つブレーズド格子である。なお、有効径の８５％より外側の周辺部３２は、段差のない連続的な非球面として形成されている。
【００２２】
記録密度の違いから、高記録密度ディスクＤ1における記録面上のスポットは、低記録密度ディスクＤ2におけるよりより小さく絞る必要がある。スポット径は波長が短いほど小さくなるため、λ₁は６００ｎｍ台と比較的短波長であることが望ましい。他方、記録可能なＣＤ−Ｒ(保護層１．２ｍｍ)をも利用する場合には、記録面の反射特性から第２のレーザー光の波長λ₂は７８０ｎｍ程度の比較的長波長のレーザー光を用いる必要がある。２つの波長を光ディスクの種類に応じて切り替えて用いる前提には、このような記録密度の違いや、反射特性による要求がある。
【００２３】
回折レンズ構造は、入射光の波長が長波長側に変化するにしたがって球面収差がオーバーとなる方向に変化するような球面収差特性を有している。屈折レンズの球面収差は、入射光の発散度合いが大きくなるほどアンダーとなるため、回折レンズ構造に上記の球面収差特性を持たせることにより、球面収差を補正することができる。
【００２４】
回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐ_n、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(Ｐ₀＋Ｐ₂ｈ²＋Ｐ₄ｈ⁴＋Ｐ₆ｈ⁶＋…)×λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表わされる。この表現形式では２次の項の係数Ｐ₂が負の時に近軸的に正のパワーを持ち、４次の項の係数Ｐ₄が正の時に周辺に向かって負のパワーが漸増することとなる。
【００２５】
実際のレンズの微細形状は光路長の波長の整数倍の成分を消去したフレネルレンズ状の光路長付加量φ'を持つように決定する。
φ'(ｈ)＝（MOD（Ｐ₀＋Ｐ₂ｈ²＋Ｐ₄ｈ⁴＋Ｐ₆ｈ⁶＋…＋Const，l）−Const）×λ
定数項Constは輪帯の境界位置の位相を設定する定数であり、０≦Const≦１の範囲で任意の数をとる。MOD（X、Y）はXをYで割った剰余を与える関数である。MOD（P2h2＋P4h4＋…＋Const，1）の値が0になるhの点が輪帯の境になる。ベース形状の上に、φ'(ｈ)の光路差を持つように、勾配、段差を設定する。
【００２６】
ここで実施形態の対物レンズ３０は、２次の光路差関数係数Ｐ₂、ＮＡ０．４５相当の光線が回折構造の存在する面を通過する高さをｈ₄₅として、以下の条件(１)を満たす。
７＜ φ(ｈ₄₅)／λ−Ｐ₂(ｈ₄₅)² ＜１５ …(１)
【００２７】
条件(１)は、ＮＡ０．４５の光線に対する回折レンズ構造の全体的な光学的作用φ(ｈ₄₅)／λからパワー成分Ｐ₂(ｈ₄₅)²を除いた、球面収差補正成分の量を規定する。低記録密度ディスクＤ2の再生においてはＮＡ０．４５より周辺部の光は影響しないのでＮＡ０．４５の光線を基準としている。条件(１)の下限を下回ると、近距離変化による球面収差の変化を回折レンズ構造による球面収差補正効果により十分に補正することができず、球面収差が過度にアンダーとなる。また、条件(１)の上限を上回ると、回折レンズ構造による球面収差補正効果が大きくなりすぎ、球面収差が過度にオーバーとなる。
【００２８】
また、上述のように厚さ０．６０ｍｍの保護層を有する高記録密度ディスクＤ1と厚さ１．２ｍｍの保護層を有する低記録密度ディスクＤ2を対象とする場合、第１のレーザー光の波長λ₁、第２のレーザー光の波長λ₂は、以下の条件(２)を満たす。
０．８１＜λ₁／λ₂＜０．８５ …(２)
【００２９】
条件(２)は、回折レンズ構造による１次回折光を用いた際に回折効率を低下させずに十分な球面収差補正効果を得るための条件である。条件(２)の下限を下回る場合には、第１、第２の波長λ₁、λ₂の差が大きくなり過ぎ、第１の波長における回折効率と第２の波長における回折効率とを総合した全体的な回折効率が低下する。条件(２)の上限を超えると、第１、第２の波長λ₁、λ₂の差が小さくなり過ぎ、要求される球面収差の変化量を得るためには輪帯数が多くなり、加工が困難になると共に、回折効率も低下しやすい。
【００３０】
また、実施形態の対物レンズ３０は、光軸近傍の領域では、回折レンズ構造のブレーズ化波長λ_Bがλ₁＜λ_B＜λ₂を満たす。この条件を満たすことにより、第１，第２のレーザー光のいずれに対しても高い回折効率を得ることができる。ブレーズ化波長λ_Bが２つの波長λ₁〜λ₂の範囲の外側に設定されると、ブレーズ化波長との差が大きい側の波長における回折効率が著しく低下する。例えば、λ₁を650nmにλ₂を780nmに選んだ場合、λ_Bを650nmにすると、回折効率は波長λ₁においては100%、λ₂においては91%になる。これに対して、λ_Bを600nmにすると、効率は波長λ₁においては98％となるが、λ₂においては83％に低下する。
【００３１】
さらに、実施形態の対物レンズ３０は、光軸近傍の領域では、回折レンズ構造のブレーズ化波長λ_Bが以下の条件(３)及び(４)を満たす。
０．８７＜λ_B／λ₂ …(３)
λ_B／λ₁＜１．１３ …(４)
【００３２】
これらの条件を満たすことにより、第１，第２のレーザー光のいずれに対しても、１次回折光の回折効率を高く保つことができる。条件(３)を満足しない場合には、第２のレーザー光の回折効率が９５％を下回る。条件(４)を満足しない場合には、第１のレーザー光の回折効率が９５％を下回る。
【００３３】
前述のように、対物レンズ３０は、レンズ面３０ａの中心部３１に回折レンズ構造が形成され、有効径の８５％より外側の周辺部３２は段差のない連続非球面として形成されている。周辺部に段差を形成しないことにより、段差形成に起因する形状誤差がなくなり、かつ、回折による光量の損失を抑えて光量を有効に利用することができる。
【００３４】
なお、上記のように周辺部を連続面とせずに、周辺部にも回折レンズ構造を設けてもよい。この場合、回折レンズ面の２次の係数P₂が負の値になるよう設定して回折レンズ構造に正のパワーを持たせることにより、軸上色収差の補正が可能である。また、中心部と周辺部とで回折レンズ構造のブレーズ化波長を変えてもよい。
【００３５】
前述のように、波長の短い第１のレーザー光は、記録密度の高い高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に利用されるため、対物レンズ３０は、第１のレーザー光に対して、より収差が良好に補正されていることが望ましい。反対に、低記録密度ディスクＤ2の再生に利用される第２のレーザー光に対しては、記録面上でのスポットが小さくなりすぎないようにする必要がある。
【００３６】
そこで、周辺部の領域において回折レンズ構造の微細な段差により与えられる光路差を、光軸近傍の領域において回折レンズ構造の微細な段差により与えられる光路差より短くするとよい。すなわち、周辺部の回折レンズ構造のブレーズ化波長λ_Bを、中心部のそれより短くし、第１のレーザー光の波長λ₁に近づけて設定する。これにより、第２のレーザー光に対する周辺部の回折効率は低下し、周辺部を第２のレーザー光に対する一種の絞りとして機能させ、ＮＡを小さくすることにより、スポットが過小となるのを防ぐことができる。周辺部のブレーズ化波長を第１のレーザー光の波長λ₁より短くすると、さらに第２のレーザー光の回折効率が低下し、絞り効果が大きくなる。
【００３７】
また、周辺部でP₄あるいはP₆で示される高次の項が負の値を持つような回折作用を持たせると、温度変化に基づく対物レンズの熱膨張、屈折率変化による収差変化を、半導体レーザーの温度変化に基づく発振波長の変化による球面収差の変化でキャンセルすることができる。この場合は、第２のレーザー光に対しては大きな収差を持つため、周辺部が実質的にＮＡを制限する絞りとしても機能する。
【００３８】
次に、実施形態で説明した光ディスク装置の光学系の具体的な実施例を３例説明する。
【００３９】
【実施例１】
図４は、実施例１の光学系を高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に用いた様子を示す。図４では、ビームスプリッタ１３，１４は合成して示され、その後段にコリメートレンズ２０と対物レンズ３０とが配置されている。実施例１の光学系の具体的な数値構成は表１に示されている。面番号１、２がビームスプリッタ１３，１４、面番号３、４がコリメートレンズ２０、面番号５，６が対物レンズ３０、面番号７，８が媒体である高記録密度ディスクＤ1または低記録密度ディスクＤ2の保護層を示している。回折レンズ構造は、対物レンズのコリメートレンズ側の面(面番号５)に形成されている。
【００４０】
表中、λ₁は高記録密度ディスクＤ1使用時の波長、λ₂は低記録密度ディスクＤ2使用時の波長、f_c1，f_o1はλ₁でのコリメートレンズ及び対物レンズの焦点距離(単位:mm)、f_c2，f_o2はλ₂でのコリメートレンズ及び対物レンズの焦点距離(単位:mm)、M₁はλ₁での倍率、M₂はλ₂での倍率、d₀₁, d₀₂はそれぞれ第１，第２の半導体レーザーからビームスプリッタまでの距離(単位:mm)、ht、h₄₅はそれぞれ対物レンズの第１面３０ａ(面番号５)の有効半径及びＮＡ０．４５に相当する光線が通過する高さ(光軸からの距離)を示す。また、ｒはレンズ各面の巨視的な曲率半径(非球面については光軸上の値、単位:mm)、ｄは各面の光軸に沿った間隔(単位:mm)、ｎλは各媒体の波長λnmでの屈折率である。なお、ｄ7については、前者が高記録密度ディスクＤ1使用時、後者が低記録密度ディスクＤ2使用時の値を示している。
【００４１】

【００４２】
コリメートレンズ２０の対物レンズ側の面(面番号４)、対物レンズ３０の第１面３０ａ(面番号５)のベースカーブ(回折レンズ構造を除いた巨視的な形状)、第２面３０ｂ(面番号６)はいずれも非球面であり、その形状は光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離(サグ量)をＸ、非球面の光軸上での曲率(1/r)をＣ、円錐係数をκ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をＡ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10、Ａ12として、以下の式で表される。
Ｘ＝Ｃｈ²/(１+√(１-(１+κ)Ｃ²ｈ²))+Ａ4ｈ⁴+Ａ6ｈ⁶ +Ａ8ｈ⁸+Ａ10ｈ¹⁰+Ａ12ｈ¹²
【００４３】
各非球面を規定する円錐係数と非球面係数は表２に示される。なお、対物レンズの第１面３０ａについては、光軸近傍の中心部と、ＮＡ０．４５に相当する光線が通過する高さh₄₅(=1.98mm)より外側の周辺部とで非球面形状が異なるため、表２にはそれぞれの値が示されている。
【００４４】

【００４５】
回折レンズ構造は、中心部が波長710nmに対してブレーズ化され、周辺部が波長650nmに対してブレーズ化されている。それぞれの領域における回折レンズ構造を表す光路差関数φ(ｈ)の係数Ｐ₀〜Ｐ₈の値は表３に示される。また、実施例１では、回折レンズ構造が光軸を含む円形の領域を輪帯番号「０」として、全部で１０の輪帯により構成されている。輪帯番号０〜８が中心部、９が周辺部に相当する。各輪帯の領域は、表４に示すように、輪帯の中心側境界を規定する中心側の光軸からの高さｈ_Lと、周辺側境界を規定する周辺側の光軸からの高さh_Hとにより表される。
【００４６】

【００４７】

【００４８】
周辺部を規定する光路差関数係数の値は、周辺部の実形状が、表２に示した非球面係数で表される非球面(ベースカーブ)に対して、入射光線に波長λの９倍の光路長を付加する面であることを示している。周辺部は、具体的には以下の表５により規定される非球面を、中心部のベースカーブを規定する非球面に対して光軸上で-9.0×650nm／(1-1.54082)＝10.8169μmだけディスク側にシフトさせた面として定義される。
【００４９】

【００５０】
なお、表３に示される値から、条件(１)に含まれる各項の値は以下の通りとなる。
φ(ｈ₄₅)／λ = 9.0774
Ｐ₂(ｈ₄₅)² = 0.0
【００５１】
図５(Ａ)は高記録密度ディスクＤ1使用時の波長650nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣ、(Ｂ)はその際の非点収差(S:サジタル、M:メリディオナル)を示している。グラフ(Ａ)の縦軸は開口数ＮＡ、(Ｂ)の縦軸は像高Ｙである。また、横軸は各収差の発生量を示し、単位はｍｍである。図６(Ａ)は低記録密度ディスクＤ2使用時の波長785nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣ、(Ｂ)はその際の非点収差をそれぞれ示す。
【００５２】
【実施例２】
図７は、実施例２にかかる光ディスク装置の光学系を高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に用いる様子を示し、ここではコリメートレンズ２０、対物レンズ３０、高記録密度ディスクＤ1のみを示す。実施例２の光学系の具体的な数値構成は表６、各非球面の非球面係数は表７に示される。この例では、面番号１、２がコリメートレンズ２０、面番号３，４が対物レンズ３０、面番号５，６が媒体である高記録密度ディスクＤ1または低記録密度ディスクＤ2の保護層を示している。回折レンズ構造は、対物レンズの第１面３０ａに形成されている。
【００５３】

【００５４】

【００５５】
回折レンズ構造は、中心部が波長710nmに対してブレーズ化され、周辺部が波長650nmに対してブレーズ化されている。それぞれの領域における回折レンズ構造を表す光路差関数φ(ｈ)の係数Ｐ₀〜Ｐ₈の値は表８に示される。また、実施例２では、回折レンズ構造が光軸を含む円形の領域を輪帯番号「０」として、全部で１５の輪帯により構成されている。輪帯番号０〜７が中心部、８〜１４が周辺部に相当する。各輪帯の領域は、表９に示す通りである。
【００５６】

【００５７】

【００５８】
中心部と周辺部との境となる輪帯番号７、８の境界部分では、外側の輪帯が光軸方向で約１５ミクロン厚くなる方向にシフトした段差が形成される。なお、表８に示される値から、条件(１)に含まれる各項の値は以下の通りとなる。
φ(ｈ₄₅)／λ = -3.1365
Ｐ₂(ｈ₄₅)² = -13.0045
【００５９】
図８(Ａ)は高記録密度ディスクＤ1使用時の波長650nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣ、(Ｂ)はその際の非点収差を示している。図９(Ａ)は低記録密度ディスクＤ2使用時の波長780nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣ、(Ｂ)はその際の非点収差をそれぞれ示す。
【００６０】
【実施例３】
図１０は、実施例３にかかる光ディスク装置の光学系を高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に用いる様子を示し、ここでは対物レンズ３０、高記録密度ディスクＤ1のみを示す。実施例３の光学系の具体的な数値構成は表１０、各非球面の非球面係数は表１１に示される。面番号１、２が対物レンズ３０、面番号５，６が媒体である高記録密度ディスクＤ1または低記録密度ディスクＤ2の保護層を示している。また、この例では、符号d₀₁、d₀₂はそれぞれ波長λ₁、λ₂における対物レンズの物体距離を示す。回折レンズ構造は、対物レンズの第１面３０ａに形成されている。
【００６１】

【００６２】

【００６３】
回折レンズ構造は、中心部が波長710nmに対してブレーズ化され、周辺部が波長650nmに対してブレーズ化されている。それぞれの領域における回折レンズ構造を表す光路差関数φ(ｈ)の係数Ｐ₀〜Ｐ₈の値は表１２に示される。また、実施例３では、回折レンズ構造が光軸を含む円形の領域を輪帯番号「０」として、全部で２１の輪帯により構成されている。輪帯番号０〜１９が中心部、２０が周辺部に相当する。各輪帯の領域は、表１３に示す通りである。
【００６４】

【００６５】

【００６６】
なお、表１２に示される値から、条件(１)に含まれる各項の値は以下の通りとなる。
φ(ｈ₄₅)／λ = 9.301
Ｐ₂(ｈ₄₅)² = 0.000
【００６７】
図１１(Ａ)は高記録密度ディスクＤ1使用時の波長650nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣ、(Ｂ)はその際の非点収差を示している。図１２(Ａ)は低記録密度ディスクＤ2使用時の波長780nmにおける球面収差ＳＡおよび正弦条件ＳＣ、(Ｂ)はその際の非点収差をそれぞれ示す。
【００６８】
実施例３の対物レンズを利用するためには、高記録密度ディスクＤ1の使用時には対物レンズに対して無収差の平行光束を入射させ、低記録密度ディスクＤ2の使用時には対物レンズに対して無収差の発散光束を入射させる必要がある。このため、共通のコリメートレンズを設ける代わりに、２つの半導体レーザーそれぞれに専用のコリメートレンズを設けるのが望ましい。なお、半導体レーザーに保護ガラスがある場合や、ビームの分岐合成のためにプリズムブロックが入る場合等には、これらの平行平面板による影響も考慮して適宜コリメートレンズの非球面形状を変更して対応することが望ましい。
【００６９】
また、各実施例では、対物レンズを完全に同一位置に保ちつつ２種類の光ディスクに対応するように説明しているが、実際にはディスク厚さのばらつきや反り等により、数十ミクロン程度の差が生じるのが一般的である。ただし、この程度の差は、ストロークの短い単一ディスク用に設計されたフォーカス機構によっても容易に対応することができる。
【００７０】
前述した条件式と各実施例との関係は以下の表１４に示すとおりである。いずれの実施例も、全ての条件を満たす。
【００７１】

【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、光ディスクの保護層の厚さに応じて対物レンズに対する入射光の発散度合いを変化させて物体距離を変化させ、対物レンズを移動させることなく近軸的な集光点を各光ディスクの記録面に一致させることができ、かつ、回折レンズに球面収差の波長依存性を持たせ、保護層の厚さに応じて波長を切り替えることにより、発散度合いの変化による球面収差の変化を補正し、光ディスクの記録面上に良好なスポットを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る光ディスク装置の光学系を高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に利用した様子を示す説明図。
【図２】図１の光学系を低記録密度ディスクＤ2の再生に利用した様子を示す説明図。
【図３】図１の光学系に利用される対物レンズの形状を示す正面図(Ａ)、側面図(Ｂ)、一部拡大図(Ｃ)。
【図４】実施例１の光学系の一部を示すレンズ図。
【図５】実施例１の光学系を高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に利用する際の収差図。
【図６】実施例１の光学系を低記録密度ディスクＤ2の再生に利用する際の収差図。
【図７】実施例２の光学系の一部を示すレンズ図。
【図８】実施例２の光学系を高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に利用する際の収差図。
【図９】実施例２の光学系を低記録密度ディスクＤ2の再生に利用する際の収差図。
【図１０】実施例３の光学系の一部を示すレンズ図。
【図１１】実施例３の光学系を高記録密度ディスクＤ1の記録・再生に利用する際の収差図。
【図１２】実施例３の光学系を低記録密度ディスクＤ2の再生に利用する際の収差図。
【符号の説明】
１０光源部
１１第１の半導体レーザー
１２第２の半導体レーザー
２０コリメートレンズ
３０対物レンズ
４０信号検出系
Ｄ1 高記録密度ディスク
Ｄ2 低記録密度ディスク

Claims

波長の比較的短い第１のレーザー光と波長の比較的長い第２のレーザー光とを選択的に発する光源部と、正のパワーを有する屈折レンズの少なくとも一方のレンズ面に微細な輪帯状の段差を有する回折レンズ構造を形成して構成され、前記光源部からのレーザー光を光ディスクの保護層を介して記録面上に集光させる対物レンズとを備え、前記保護層の厚さが比較的薄い第１の光ディスクと前記保護層の厚さが比較的厚い第２の光ディスクとに対して記録あるいは再生が可能な光ディスク装置の光学系において、
前記光源部は、前記第１のレーザー光を前記第２のレーザー光より強い発散度合いで前記対物レンズに対して入射させ、前記回折レンズ構造は、周辺部に向かってパワーが弱くなる方向の特性を持たせることにより、入射光の波長が長波長側に変化するにしたがって球面収差がオーバーとなる方向に変化する球面収差特性を有し、前記対物レンズは、前記保護層との間隔を一定に保ちつつ、前記第１のレーザー光による所定の次数の回折光を前記第１の光ディスクの記録面位置に集光させ、前記第２のレーザー光による前記と同一次数の回折光を前記第２の光ディスクの記録面位置に集光させることを特徴とする光ディスク装置の光学系。
前記回折レンズ構造による光路長の付加量を、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐn、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(Ｐ₂ｈ²＋Ｐ₄ｈ⁴＋Ｐ₆ｈ⁶＋…)×λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表したとき、２次の光路差関数係数Ｐ₂、ＮＡ０．４５相当の光線が回折構造の存在する面を通過する高さをｈ₄₅として、以下の条件(１)を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光ヘッド用対物レンズ光ディスク装置の光学系。
７＜ φ(ｈ₄₅)／λ−Ｐ₂(ｈ₄₅)² ＜１５ …(１)
前記第１の光ディスクの保護層の厚さは０．６０ｍｍ、前記第２の光ディスクの保護層の厚さは１．２ｍｍであり、前記第１のレーザー光の波長をλ₁、前記第２のレーザー光の波長をλ₂として、以下の条件(２)を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の光ディスク装置の光学系。
０．８１＜λ₁／λ₂＜０．８５ …(２)
前記対物レンズの少なくとも光軸近傍の領域では、前記回折レンズ構造のブレーズ化波長λ_Bが、λ₁＜λ_B＜λ₂を満たすことを特徴とする請求項３に記載の光ディスク装置の光学系。
前記光軸近傍の領域におけるブレーズ化波長λ_Bが、以下の条件(３)及び(４)を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光ヘッド用対物レンズ。
０．８７＜λ_B／λ₂ …(３)
λ_B／λ₁＜１．１３ …(４)
前記対物レンズの周辺部の領域において前記回折レンズ構造の微細な段差により与えられる光路差は、前記光軸近傍の領域において前記回折レンズ構造の微細な段差により与えられる光路差より短いことを特徴とする請求項４または５に記載の光ディスク装置の光学系。
前記回折レンズ構造が形成されたレンズ面は、少なくとも有効径の８５％より外側の部分は、段差のない連続非球面として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ディスク装置の光学系。
前記光源部は、前記第１のレーザー光をほぼ平行光として、前記第２のレーザー光を発散光として前記対物レンズに入射させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ディスク装置の光学系。
請求項１に記載の光ディスク装置の光学系に用いられる対物レンズであって、
正のパワーを有し、一方のレンズ面に、周辺部に向かってパワーが弱くなる方向の特性を持たせることにより、入射光の波長が長波長側に変化するにしたがって球面収差がオーバーとなる方向に変化する球面収差特性を有する回折レンズ構造が形成されていることを特徴とする光ヘッド用対物レンズ。