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JP4377281B2 - 光記録媒体用対物光学系およびこれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

光記録媒体用対物光学系およびこれを用いた光ピックアップ装置 Download PDF

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Description

本発明は、情報の記録または再生がなされる際に、使用光学系の開口数、使用光の波長および基板厚等の規格が異なる３つの光記録媒体に対して、各使用光を対応する光記録媒体上に効率良く収束させることができる光記録媒体用対物光学系およびこれを用いた光ピックアップ装置に関するものであり、詳しくは、回折光学素子からの回折光を利用して、上記３つの光記録媒体のそれぞれに各使用光を良好に収束させる光記録媒体用対物光学系およびこれを用いた光ピックアップ装置に関するものである。
近年における種々の光記録媒体の開発に応じて、２種の光記録媒体の記録・再生に共用し得る光ピックアップ装置が知られている。例えば、ＤＶＤ（ディジタル・バーサタイル・ディスク）とＣＤ（コンパクトディスク。−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷを含む。）を１つの光ピックアップ装置を用いて記録・再生する装置が実用化されている。
このような２つの光記録媒体においては、ＤＶＤについては、記録密度の向上を図るため、例えば657ｎｍ程度の可視光を使用することとなっているのに対し、ＣＤについては、可視光領域の光に対して感度を有さない光記録媒体も存在するため、790ｎｍ程度の近赤外光を使用する必要がある。したがって、これら両者に対して共用し得る光ピックアップ装置では、２つの異なる波長の光を照射光として用いる、いわゆる２波長ビーム方式によることとなる。また、上述した例示における２つの光記録媒体においては、各光記録媒体の特性の違いからそれぞれ開口数を異ならせる必要があり、例えばＤＶＤの規格では開口数を0.60〜0.65程度とし、ＣＤの規格では開口数を0.45〜0.52程度としている。さらに、これらの記録媒体においては、基板の厚み（ＰＣ（ポリカーボネート）からなる保護層の幾何学的厚みを示す。以下も同様である。）が互いに異なる規格とされており、例えばＤＶＤでは0.6ｍｍであるのに対し、ＣＤでは1.2ｍｍとされている。
また、日常取り扱われるデータ容量の急激な増大に応じて、光記録媒体の記録容量の増大化に対する要請は、さらに強いものとなってきている。光記録媒体の記録容量を増大させるためには、使用する光源光の短波長化と対物光学系の開口数（ＮＡ）を大きくすることが有効であることは知られているところであるが、短波長化に関しては、ＧａＮ基板をベースにした短波長の半導体レーザ（例えば、波長408ｎｍのレーザ光を射出する）の開発が進展をみせており略実用化状態とされている。この短波長の半導体レーザの実用化に伴い、この短波長の光を照射光として使用する片面１層の容量が20ＧＢ程度のＡＯＤ（アドバンスド・オプティカル・ディスク：ＨＤ−ＤＶＤ）に関する研究、開発も同様に進められている。このＡＯＤの規格においては、開口数および基板の厚みが上述したＤＶＤと同程度の値とされており、開口数（ＮＡ）は0.65、基板の厚みは0.6ｍｍとされている。
なお、ＡＯＤと同様に短波長の光を照射光として使用するブルーレイディスク（以下ＢＤと称する）の研究、開発も進められており、その規格においては、開口数および基板の厚みが上述したＤＶＤおよびＣＤとは全く異なった値（開口数（ＮＡ）は0.85、基板の厚みは0.1ｍｍ）とされている（以下、ＡＯＤとＢＤを総称してＡＯＤ等と称することがある）。
そこで、このＡＯＤ等と、上述したＤＶＤおよびＣＤの３つの光記録媒体に対して共用し得る光ピックアップ装置の開発が望まれている。上述したように、これらの光記録媒体では、使用光波長および基板厚が光記録媒体の種類に応じて互いに異なるような規格とされていることから、その保護層の厚さの違いに応じ発生する球面収差の量が異なってくる。そのため、これらいずれの光記録媒体についても確実にフォーカシングをなすべく、記録・再生を行なうための各波長の光のいずれについても球面収差量を最適化する必要があることから、互いに異なる収束作用を有するようなレンズ構成とする工夫を要する。
このような装置に搭載される光記録媒体用対物光学系としても、既に提案がなされており、非特許文献１には、屈曲面と回折光学面を有する回折光学素子、および両凸レンズからなる対物光学系が記載されている。この非特許文献１に記載された技術は、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの各々の光記録媒体に対して、回折光学素子からの２次、１次および１次の回折光を使用するようにし、発散光を回折光学素子に入射させることで各光記録媒体の保護層の厚みの相違に伴う球面収差を補正し、さらに回折光学素子の表面を集光型の回折面とし裏面を凹面とすることで単玉の対物レンズにおいて発生する色収差を改善するようにしている。
第５０回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 第1250頁（2003年3月）
ところで、この非特許文献１に記載された技術においては、入射光束に対する対物光学系のシフトに伴うコマ収差の発生を軽減するため、ＢＤへの情報の記録または再生を行なう際には、回折光学素子に収束光を入射させるようにしている。また、ＤＶＤおよびＣＤについて情報の記録または再生を行なう際には、各々発散光を回折光学素子に入射させるようにしている。
しかしながら、装置のコンパクト化の要請が強い今日においては、装置内における光学系の配置選択の自由度を大きくすることが必要とされており、このためには、上記３種の使用光全てについて回折光学素子、すなわち対物光学系に平行光を入射させるように設計することが強く望まれる。また、回折光学素子に対して収束光あるいは発散光を入射させると、回折光学面の回折溝に使用光が斜入射することによる、回折効率の低下、およびトラッキング時の安定性に及ぼす影響が著しいという問題がある。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、情報の記録または再生がなされる際に、使用光学系の開口数、使用光の波長および基板厚等の規格が異なる３つの光記録媒体に対して、回折光学素子を用いることで各使用光を対応する光記録媒体上に効率良く収束させることができる光記録媒体用対物光学系において、３つの異なる波長の使用光に対していずれも無限共役で使用可能として、光学系の配置選択の自由度を大幅に高めるとともにトラッキングの安定性の向上を図り、使用光の回折効率を向上させ得る光記録媒体用対物光学系およびこれ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ものである。
本発明の光記録媒体用対物光学系は、情報の記録または再生がなされる際に、第１開口数および第１波長に対応する第１の光記録媒体、第２開口数および第２波長に対応する第２の光記録媒体、ならびに第３開口数および第３波長に対応する第３の光記録媒体のそれぞれに対して、使用光を所望の位置に収束させるための光記録媒体用対物光学系において、
光源側から順に、少なくとも一方の面が回折光学面とされた負の屈折力を有する回折光学素子と、正レンズとからなり、
いずれの前記光記録媒体が選択される場合にも使用光は平行光として入射され、
いずれの前記光記録媒体が選択される場合にも、前記回折光学素子と前記正レンズとの空気間隔が互いに等しくなるように構成され、
前記第１開口数、前記第１波長、前記第１の光記録媒体の基板厚、前記第２開口数、前記第２波長、前記第２の光記録媒体の基板厚、前記第３開口数、前記第３波長および前記第３の光記録媒体の基板厚が、下記３つの条件式（１）〜（３）を満足するように設定され、
前記回折光学面が、前記第１波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が２次、前記第２波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が１次、前記第３波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が１次となるように、作用する形状とされていることを特徴とするものである。
λ１＜λ２＜λ３ ・・・（１）
ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３ ・・・（２）
Ｔ１≦Ｔ２＜Ｔ３ ・・・（３）
ただし、
λ１・・・前記第１の光記録媒体に対応する使用光波長（第１波長）
λ２・・・前記第２の光記録媒体に対応する使用光波長（第２波長）
λ３・・・前記第３の光記録媒体に対応する使用光波長（第３波長）
ＮＡ１・・・前記第１の光記録媒体に対応する開口数（第１開口数）
ＮＡ２・・・前記第２の光記録媒体に対応する開口数（第２開口数）
ＮＡ３・・・前記第３の光記録媒体に対応する開口数（第３開口数）
Ｔ１・・・前記第１の光記録媒体の基板厚（第１基板厚）
Ｔ２・・・前記第２の光記録媒体の基板厚（第２基板厚）
Ｔ３・・・前記第３の光記録媒体の基板厚（第３基板厚）
また、前記回折光学素子の素子構造は断面形状が鋸歯状とされていることが好ましい。
また、前記回折光学面は、仮想平面上に回折光学素子構造を形成してなることが好ましい。
また、前記回折光学素子はプラスチックまたはガラスを材料とすることができる。また、前記正レンズはプラスチックまたはガラスを材料とすることができる。
また、前記正レンズの少なくとも１面が非球面からなることが好ましい。また、前記正レンズの少なくとも１面が回転対称な非球面からなることがより好ましい。
また、前記第１の光記録媒体をアドバンスド・オプティカル・ディスク（ＡＯＤ）とし、前記第２の光記録媒体をＤＶＤとし、前記第３の光記録媒体をＣＤとすると特に効果的である。
本発明による光ピックアップ装置は、上記いずれかの光記録媒体用対物光学系を備えていることを特徴とするものである。
本発明による光記録媒体用対物光学系によれば、光源側から順に、少なくとも一方の面に回折光学面を有する回折光学素子と、正レンズとからなり、いずれの前記光記録媒体が選択される場合にも、前記回折光学素子と前記正レンズとの空気間隔が互いに等しくなるように構成されているので、メカ制御の負担を減らすことができ、装置構成を簡略でコンパクトにすることができる。
また、３種いずれの光記録媒体の記録、再生時にも、使用光は平行光として入射されながら、所定位置に良好な収差補正がなされた状態で集光させることを可能としているので、光学系の配置選択の自由度を高めて装置のコンパクト化を図ることができ、トラッキングの安定性を向上させることができるとともに、使用光の回折効率を向上させることも可能である。
さらに、上記回折光学素子において、所定の１種の光記録媒体について、その余の２種の光記録媒体で利用する次数の回折光のいずれとも互いに異なる次数の回折光を利用するように、回折光学面を設定することにより、３種いずれの光記録媒体に対応する光も、高い利用効率で光記録媒体上に収束させることができる。
本発明による光ピックアップ装置によれば、本発明による光記録媒体用対物光学系を搭載することにより、同様の作用効果を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施例に係る光記録媒体用対物光学系の構成を模式的に示す図であり、この図を用いて本発明の実施形態を説明する。また、図３は、本発明に係る光ピックアップ装置の構成を示す図であり、本発明に係る光記録媒体用対物光学系を用いた一構成例である。なお、図１および図３において、回折光学面は、回折光学面であることを示すために実際の鋸歯形状よりも誇張して示している。また図３では、図面が煩雑となるのを回避するため、半導体レーザ１ａからの光線軌跡を中心として表し、半導体レーザ１ｂ、１ｃからの光線軌跡はプリズム２ａ、２ｂの接合面に到達するまでの軌跡のみが描かれている。
図３に示す光ピックアップ装置では、半導体レーザ１ａ〜１ｃから出力されたレーザ光１１がハーフミラー６により反射され、コリメータレンズ７により略平行光とされ、光記録媒体用対物光学系８により収束光とされて光記録媒体９の記録領域１０上に照射される。この光ピックアップ装置が対象とする光記録媒体９は、下記３つの条件式（１）〜（３）の条件で使用されるものである。
λ１＜λ２＜λ３・・・ （１）
ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３・・・ （２）
Ｔ１≦Ｔ２＜Ｔ３・・・ （３）
ただし、
λ１・・・第１の光記録媒体に対応する使用光波長（第１波長）
λ２・・・第２の光記録媒体に対応する使用光波長（第２波長）
λ３・・・第３の光記録媒体に対応する使用光波長（第３波長）
ＮＡ１・・・第１の光記録媒体に対応する開口数（第１開口数）
ＮＡ２・・・第２の光記録媒体に対応する開口数（第２開口数）
ＮＡ３・・・第３の光記録媒体に対応する開口数（第３開口数）
Ｔ１・・・第１の光記録媒体の基板厚（第１基板厚）
Ｔ２・・・第２の光記録媒体の基板厚（第２基板厚）
Ｔ３・・・第３の光記録媒体の基板厚（第３基板厚）
ここでは、光記録媒体９は、第１の光記録媒体としてのＡＯＤ９ａ（開口数ＮＡ１＝0.65、使用光波長λ１＝408ｎｍ、基板厚Ｔ１＝0.6ｍｍ）、第２の光記録媒体としてのＤＶＤ９ｂ（開口数ＮＡ２＝0.65、使用光波長λ２＝658ｎｍ、基板厚Ｔ２＝0.6ｍｍ）および第３の光記録媒体としてのＣＤ９ｃ（開口数ＮＡ３＝0.51、使用光波長λ３＝784ｎｍ、基板厚Ｔ３＝1.2ｍｍ）を総称するものとして説明する。
半導体レーザ１ａは、ＡＯＤ用の、波長408ｎｍ（λ１）の可視域のレーザ光を出力する光源であり、半導体レーザ１ｂは、ＤＶＤ用の、波長658ｎｍ（λ２）の可視域のレーザ光を出力する光源である。また、半導体レーザ１ｃは、ＣＤ−Ｒ（追記型光記録媒体）等のＣＤ系用の（以下、これを代表してＣＤとして説明する）、波長784ｎｍ（λ３）の近赤外域のレーザ光を出力する光源である。半導体レーザ１ａ〜１ｃは、重複して出力されることを排除するものではないが、光記録媒体９がＡＯＤ９ａであるか、ＤＶＤ９ｂであるか、ＣＤ９ｃであるかに応じて、択一的に出力されることが好ましい。半導体レ−ザ１ａ、１ｂから出力されたレ−ザ光１１は、プリズム２ａ、２ｂを介して、また、半導体レ−ザ１ｃから出力されたレ−ザ光１１は、プリズム２ｂを介して、ハ−フミラ−６に照射されるようになっている。
また、コリメータレンズ７は、図３において模式的に示されたものであって１枚構成のものとは限られず、むしろ上記各波長の光について色収差が良好に補正されたものとすることが好ましい。
本実施形態の光ピックアップ装置では、所定位置（ターンテーブル上）に配される光記録媒体９として、ＡＯＤ９ａ、ＤＶＤ９ｂおよびＣＤ９ｃのいずれの光記録媒体９が選択される場合にも、対物光学系８に対しては使用光が平行光として入射される。対物光学系８は無限共役の光学系とされている。回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２との回折作用および屈折作用により、各使用光は、図１（Ａ）に示すＡＯＤ９ａ、図１（Ｂ）に示すＤＶＤ９ｂ、図１（Ｃ）に示すＣＤ９ｃの、各々情報の記録または再生をなす前記光記録媒体の所定位置１０ａ、１０ｂ、１０ｃ（以下、これらを総称して記録領域１０と称することがある）に集光せしめられる。
記録領域１０には信号情報を担持したピットがトラック状に配列されるようになっており、この記録領域１０からの上記レーザ光１１の反射光は信号情報を担持した状態で対物光学系８およびコリメータレンズ７を介してハーフミラー６に入射し、このハーフミラー６を透過して４分割のフォトダイオード１３に入射する。このフォトダイオード１３では、分割された４つのダイオード位置の各受光量が電気信号の形態で得られるから、この受光量に基づき図示されない演算手段において所定の演算がなされ、データ信号、およびフォーカスとトラッキングの各エラー信号を得られることになる。
なお、ハーフミラー６は光記録媒体９からの戻り光の光路に対して45°傾いた状態で挿入されているのでシリンドリカルレンズと同等の作用をなし、このハーフミラー６を透過した光ビームは非点収差を有することとなり、４分割のフォトダイオード１３上におけるこの戻り光のビームスポットの形状に応じてフォーカスのエラー量が決定されることとなる。なお、半導体レーザ１ａ〜１ｃとハーフミラー６との間にグレーティングを挿入して３ビームによりトラッキングエラーを検出することも可能である。
ところで、本実施形態の対物光学系８は、図１に示すように、光源側から順に、少なくとも一方の面に回折光学面を有する回折光学素子Ｌ１と、正レンズＬ２とから構成されてなる。そして、ＡＯＤ９ａ、ＤＶＤ９ｂ、ＣＤ９ｃのうちのいずれの光記録媒体９が選択される場合にも回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２との空気間隔が互いに等しくなるように構成されている。
一般に、回折光学素子Ｌ１を用いるという要件を満足することのみによっても、２種の光記録媒体についてともに平行光を入射させた場合に、いずれも良好な収差補正が行なわれる状態で各所定位置に集光させることは可能と考えられている。例えば、図１を用いてより具体的に説明すると、所定の回折光学面を有する回折光学素子Ｌ１を設けることにより、記録媒体の基板厚が0.6mmと同一とされたＡＯＤ９ａおよびＤＶＤ９ｂについては、各々の情報の記録再生時に互いに異なる所定の収束作用を有する構成とすることができ、これにより対物光学系８に入射する光束を平行な状態としつつ球面収差等の諸収差量を最適化することが可能である。
ここに、さらに他の１種の光記録媒体についても平行光を入射させると、その波長の光については球面収差の発生が過大となりやすく、良好な収差補正が行なわれる状態で所定位置に集光させることは困難とされている。しかし、本実施形態によれば、回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２との間隔を記録媒体の種類に関わらず一定としながら、全ての光記録媒体について良好な収差補正が行なわれる状態で各所定位置に集光させることが可能となる。すなわち、使用光波長、開口数、光記録媒体の基板厚の違いにより発生する収差が相殺されるように、回折光学素子Ｌ１の回折力と正レンズＬ２の屈折力とを配分することにより、記録媒体の基板厚が1.2mmと厚みが大とされたＣＤ９ｃについても対物光学系８に入射する光束を平行な状態としつつ、回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２との空気間隔がＡＯＤ９ａおよびＤＶＤ９ｂの場合と互いに等しくなるようにして、球面収差等の諸収差量を最適化するようにしている。
いずれの前記光記録媒体が選択される場合にも、回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２との空気間隔が互いに等しくなるように構成することにより、メカ制御の負担を減らすことができ、装置構成を簡略でコンパクトにすることができる。回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２とは一体として移動するように構成してもよいが、回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２とを固定とすれば、駆動部が不要となり、さらに簡易でコンパクトな構成とすることができる。
また、本発明の対物光学系８によれば、いずれの光記録媒体（ＡＯＤ９ａ、ＤＶＤ９ｂ、ＣＤ９ｃ）について情報の記録、再生を行なう場合にも、この対物光学系８に平行光の状態で使用光を入射せしめることができるので、光学系の配置選択の自由度を高めて装置のコンパクト化を図ることができるとともにトラッキングの安定性の向上を図ることができる。さらに、使用光について、回折光学素子に対して収束光あるいは発散光を入射させる場合に回折光学面の回折溝に使用光が斜入射するために生じる問題に関しても、平行光の状態で使用光を入射せしめることができるので、回折効率を向上させることができる。
さらに、回折光学素子Ｌ１は、全体として負の屈折力を有するものとすることにより作動距離を長くすることができ、正レンズＬ２とディスクの衝突を防ぐ効果がある。
また、この対物光学系８において回折光学素子Ｌ１の回折光学面は、前記第１波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数と、前記第２波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数とが互いに異なるように、かつ、前記第１波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数と、前記第３波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数とが互いに異なるように、作用する形状とされていることが好ましい。各使用光について回折光の光量が最大となる回折次数を上記のように設定することにより、いずれの使用光についても、高い利用効率で所望の位置に収束させることができる。
また、前記回折光学面が、前記第１波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が２次、前記第２波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が１次、前記第３波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が１次となるように、作用する形状とされていることがより好ましい。この次数を選択することにより、回折光学面の回折溝を浅くすることができ、金型加工やレンズ成型に負担をかけることなく、いずれの使用光も高い利用効率で集束させることができる。
例えば、後述する実施例に係る光記録媒体用対物光学系８では、ＡＯＤ９ａに対応する波長408ｎｍ（λ１）の光に対しては２次、ＤＶＤ９ｂに対応する波長658ｎｍ（λ２）の光に対しては１次、ＣＤ９ｃに対応する波長784ｎｍ（λ３）の光に対しては１次の回折光の光量が最大となるように、回折光学面が設定されている。
なお、公知技術として、例えば、特開2001-195769号公報に記載された光ピックアップ装置では、少なくとも一方の面に回折光学面を有する１枚構成の対物レンズを用いて、ＡＯＤ等の次世代高密度光ディスク、ＤＶＤおよびＣＤの各々の光記録媒体の使用光全てについて、対物光学系に平行光を入射させて使用する構成が提案されている。この構成は、単玉の対物レンズという簡易な構成でありながらも、上記３種の光記録媒体の使用光全てについて、対物光学系に平行光を入射させて利用でき、各光記録媒体の基板の厚みの相違に伴う球面収差や、この対物レンズにおいて発生する色収差を改善しようとするものとして意義のあるものである。しかしながら、回折光学素子における各回折光の回折次数については特段の配慮がなされておらず、各々の光記録媒体に対応する使用光のいずれについても、回折光学素子で回折される同一次数の回折光を利用して各々の光記録媒体に収束させるというものであるために、各使用光の全てについて利用効率を良好とすることは非常に困難となっている。これに対し、本発明によれば、回折光の光量が最大となる回折次数を使用光に応じて異ならせることにより、いずれの使用光についても高い利用効率を達成することができ、実用性が高い。
また、本発明に係る対物光学系８の回折光学面は、仮想平面上に回折光学素子構造を形成されてなることが好ましく、その回折光学素子構造は断面形状が鋸歯状のものとされていることが好ましい。「鋸歯状」とはいわゆるキノフォームと称される形状である。回折光学面による位相差は、下記に示す位相差関数により表される。波長をλ、回折光学面位相差関数をφとすると、この回折光学面により、回折光にｍλ×φ／（２π）の光路長が付加される。ここでｍは回折次数を表す。
Figure 0004377281
なお、回折光学面の具体的な鋸歯形状のステップの高さは、使用する各波長の光に対する各次数の回折光の割合を考慮して設定されることになる。また、回折光学面の最外径は、入射する３つの波長のレーザ光１１のビーム径と対物光学系８の開口数を勘案して適宜設定し得る。
また、本発明の対物光学系８において正レンズＬ２は、少なくとも１面が非球面からなることが好ましい。この非球面は、下記に示す非球面式により表される回転対称な非球面からなることがより好ましい。このような回転対称非球面を形成することにより、いずれの光記録媒体９についても収差補正を良好とし、確実にフォーカシングをなし記録・再生が良好に行われるように構成することができる。
Figure 0004377281
回折光学素子Ｌ１および正レンズＬ２に形成される回折光学面および回転対称非球面等の面形状は、その面が作用する波長の光が、対応する記録領域１０に良好に収差補正されて収束されるように、適宜設定されることが好ましい。
また、本発明の対物光学系８において回折光学素子Ｌ１および正レンズＬ２は、各々プラスチックからなるものとすることができる。プラスチック材料を用いることによる利点としては、製造コストの低減、軽量化され高速での記録および読取が可能になること、金型の加工性が向上すること、が挙げられる。特に、回折光学面の型の加工には有利である。
また、回折光学素子Ｌ１および正レンズＬ２は、各々ガラスからなるものとすることができる。ガラス材料を用いることによる利点としては、温度や湿度の影響を受けにくいこと、短波長の光で長い時間回折光学素子や正レンズを使用しても透過率の劣化が少ない材料の入手が容易であること、が挙げられる。
以下、本発明の光記録媒体用対物光学系８について実施例を示す。
＜実施例＞
この光記録媒体用対物光学系８は、図１に示すように、光源側から順に、回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２を配列されてなる。回折光学素子Ｌ１は全体として負の屈折力を有し、光源側の面は、仮想平面上に回折光学素子構造が形成された回折光学面とされ、またその光記録媒体側の面は凹状の回転対称非球面とされている。一方正レンズＬ２は光源側に凸面を向けたメニスカスレンズとされ、光源側の面および光記録媒体側の面のいずれもが、回転対称非球面とされている。回折光学面および回転対称非球面は、上述した位相差関数および非球面式により規定される。この回折光学素子Ｌ１の回折光学面は、断面形状が鋸歯形状の同心円格子からなる。
この対物光学系８は、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、光記録媒体９としてのＡＯＤ９ａ、ＤＶＤ９ｂおよびＣＤ９ｃの記録領域１０ａ、１０ｂ、１０ｃに、各使用光λ＝408ｎｍ（λ１）、λ＝658ｎｍ（λ２）、およびλ＝784ｎｍ（λ３）を良好に収束させるものである。なお、図１（Ｂ）および（Ｃ）においては、図が煩雑となることを避けるため、図１（Ａ）と同様のものを示す曲率半径Ｒおよび面間隔Ｄの記載を省略している。
また、対物光学系８は、これら各使用光がいずれも略平行光として入射される無限共役の光学系とされている。各使用光は光記録媒体９に応じて、択一的に出力される。
下記表１の上段に、この実施例に係る対物光学系８のレンズデータの具体的数値として、曲率半径Ｒ（ｍｍ）、λ＝408ｎｍ（λ１）、λ＝658ｎｍ（λ２）、およびλ＝784ｎｍ（λ３）に対する面間隔Ｄ（ｍｍ）、ならびに上記各波長の光に対する屈折率Ｎを示す。なお、曲率半径Ｒ、面間隔Ｄおよび屈折率Ｎに対応させた数字は光源側から順次増加するようになっている。
また、表１の中段に、光記録媒体９としてＡＯＤ９ａ、ＤＶＤ９ｂおよびＣＤ９ｃをセットした各場合における使用波長λ１、λ２、およびλ３について、この実施例に係る対物光学系８の絞り径（ｍｍ）、焦点距離（ｍｍ）、開口数ＮＡ、光源位置、および回折光学面による回折光の光量が最大となる回折次数（すなわち、光記録媒体に集光される回折光の回折次数である）の各値を示す。
また、表１の下段に、この実施例に係る対物光学系８の各回転対称非球面の非球面係数、およびこの実施例に係る対物光学系８の回折光学面の位相差関数係数を示す。
Figure 0004377281
さらに、光記録媒体９としてＡＯＤ９ａ、ＤＶＤ９ｂおよびＣＤ９ｃをセットした各場合における使用波長λ１、λ２、およびλ３について、この実施例に係る対物光学系８による波面収差を図２に示す。いずれの場合にも波面収差が良好であることが明らかである。この対物光学系８は上記条件式（１）〜（３）を満足するように設定された３種の光記録媒体のそれぞれに対して、使用光を良好に所望の位置に収束させる光記録媒体用対物光学系とされており、回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２の間隔は、ＡＯＤ９ａ、ＤＶＤ９ｂ、ＣＤ９ｃのいずれの光記録媒体への情報の記録再生時にも等しく2.6mmとなっている。
なお、本発明の光記録媒体用対物光学系としては上述したものに限られず種々の態様の変更が可能である。また、本発明の光ピックアップ装置としても、同様に種々の態様の変更が可能である。
例えば、本発明の光記録媒体用対物光学系では、使用光波長の互いに異なる光記録媒体同士に対して、回折光学素子Ｌ１と正レンズＬ２は上述のとおり空気間隔が互いに等しくなるように設定しているが、この位置を基準位置として、個々の光記録媒体の製造バラツキにより生じる基板厚の変化で発生する球面収差や、２層ディスクなどの多層ディスクに求められる球面収差の補正に対応するために、回折光学素子および／または正レンズの位置は、この基準位置から微調整のための移動が可能とされていてもよい。
また、対物光学系の回折光学素子と正レンズとの、いずれか一方の光学部品を傾けることができるような構成とした場合には、光記録媒体の傾きにより生じるコマ収差も良好に補正できるものとすることができる。
また、上述した実施例において回折光学素子は、光源側の面が仮想平面上に回折光学素子構造が形成された回折光学面とされ、光記録媒体側の面が回転対称な非球面とされているが、回折光学素子はこのような構成に限られるものではない。
例えば、回折光学面は、凸状または凹状の屈折力を有する面上に形成されてもよいし、非球面上に形成されていてもよい。また、回折光学素子は、光源側の面が回転対称な非球面とされ、光記録媒体側の面が回折光学面とされていてもよい。また、実施例の回折光学素子では回折光学面でない方の面に回転対称な非球面が用いられていたが、これに変えて平面や球面または非回転対称な非球面としてもよい。例えば、屈折力を有する面に回折光学面を形成し、他方の面を平面とすることも可能である。また、回折光学素子の両面が回折光学面とされていてもよい。
また、対物光学系の回折光学面は、いずれの波長の光に対しても、上述した所定次数の回折光の光量が多く出力されるように構成されていればよく、理想的には、その光量がそれぞれほぼ100％となれば最も効果が高い。また、回折光学面の素子構造としては鋸歯状のものに限られず、例えば階段状のものを用いるようにしてもよい。
また、対物光学系の正レンズとしても、実施例のもののように光源側の面および光記録媒体側の面のいずれもが回転対称な非球面とされている構成やメニスカス形状に限られるものではない。例えば、平面、球面、非球面を適宜用いることができる。
また、本発明の光記録媒体用対物光学系および光ピックアップ装置において、記録・再生対象となる光記録媒体としてはＡＯＤ、ＤＶＤおよびＣＤという組合わせに限られない。例えば、上記組合わせのうちＡＯＤに替えて、ブルーレイディスク（開口数0.85、基板厚0.1ｍｍ、使用光波長405ｎｍ程度）を用いることも可能である。また、本発明の光記録媒体用対物光学系は、情報の記録または再生がなされる際に、第１開口数および第１波長に対応する第１の光記録媒体、第２開口数および第２波長に対応する第２の光記録媒体、ならびに第３開口数および第３波長に対応する第３の光記録媒体のそれぞれに対して、使用光を所望の位置に収束させるための光記録媒体用対物光学系において、用いることができる。各使用光波長、各開口数、各基板厚の大小関係は条件式（１）〜（３）のものに限られない。
また、光記録媒体を上記実施例と同じくＡＯＤ、ＤＶＤ、およびＣＤとした場合にも、その使用光波長は、実施例のものに限られない。ＡＯＤの使用光波長408ｎｍ、ＤＶＤの使用光波長658ｎｍおよびＣＤの使用光波長784ｎｍ以外の波長の光であっても、それぞれの光記録媒体の規格を満たすものであればその範囲内で任意に設定することができる。また、開口数、基板厚についても同様である。
また、今後、光記録媒体として上記以外の、例えば使用光波長がさらに短波長化した規格のものが開発されることも想定されるが、その場合にも勿論、本発明を適用することが可能である。この場合、レンズ材料として、使用光波長において良好な透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、本発明の光記録媒体用対物光学系のレンズ材料として蛍石や石英を用いることも可能である。
また、４種以上の光記録媒体に対しても、本発明の光記録媒体用対物光学系の適用を妨げるものではない。
また、上記説明に用いた光ピックアップ装置では互いに異なる波長の光を出力する３つの光源を設けているが、光源として、２つの異なる波長の光を近接した出力口から出力し得る１つの光源を用いるようにしても良い。この場合には、例えば図３のプリズム２ａ、２ｂに代えて、１つのプリズムを配した構成としてもよい。また、この光ピックアップ装置において、対物光学系の光源側に絞りや波長選択性のある開口制限素子が配設されていてもよいし、回折光学素子または正レンズに開口制限の機能を持たせてもよい。
本発明の実施例に係る光記録媒体用対物光学系とその作用を模式的に示す断面図 本発明の実施例に係る光記録媒体用対物光学系の波面収差図 本発明の実施形態に係る光記録媒体用対物光学系を用いた光ピックアップ装置を示す概略図
符号の説明
１ａ、１ｂ、１ｃ 半導体レーザ
２ａ、２ｂ プリズム
６ ハーフミラー
７ コリメータレンズ
８ 対物光学系
９ 光記録媒体
９ａ ＡＯＤ
９ｂ ＤＶＤ
９ｃ ＣＤ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 記録領域
１１ レーザ光
１３ フォトダイオード
Ｌ１ 回折光学素子
Ｌ２ 正レンズ
Ｒ１〜Ｒ５ レンズ面（ただし、Ｒ５は光記録媒体の保護層表面の曲率半径）
Ｄ１〜Ｄ５ 軸上面間隔

Claims (11)

  1. 情報の記録または再生がなされる際に、第１開口数および第１波長に対応する第１の光記録媒体、第２開口数および第２波長に対応する第２の光記録媒体、ならびに第３開口数および第３波長に対応する第３の光記録媒体のそれぞれに対して、使用光を所望の位置に収束させるための光記録媒体用対物光学系において、
    光源側から順に、少なくとも一方の面が回折光学面とされた負の屈折力を有する回折光学素子と、正レンズとからなり、
    いずれの前記光記録媒体が選択される場合にも使用光は平行光として入射され、
    いずれの前記光記録媒体が選択される場合にも、前記回折光学素子と前記正レンズとの空気間隔が互いに等しくなるように構成され、
    前記第１開口数、前記第１波長、前記第１の光記録媒体の基板厚、前記第２開口数、前記第２波長、前記第２の光記録媒体の基板厚、前記第３開口数、前記第３波長および前記第３の光記録媒体の基板厚が、下記３つの条件式（１）〜（３）を満足するように設定され、
    前記回折光学面が、前記第１波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が２次、前記第２波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が１次、前記第３波長の光に対して回折光の光量が最大となる回折次数が１次となるように、作用する形状とされていることを特徴とする光記録媒体用対物光学系。
    λ１＜λ２＜λ３ ・・・（１）
    ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３ ・・・（２）
    Ｔ１≦Ｔ２＜Ｔ３ ・・・（３）
    ただし、
    λ１・・・前記第１の光記録媒体に対応する使用光波長（第１波長）
    λ２・・・前記第２の光記録媒体に対応する使用光波長（第２波長）
    λ３・・・前記第３の光記録媒体に対応する使用光波長（第３波長）
    ＮＡ１・・・前記第１の光記録媒体に対応する開口数（第１開口数）
    ＮＡ２・・・前記第２の光記録媒体に対応する開口数（第２開口数）
    ＮＡ３・・・前記第３の光記録媒体に対応する開口数（第３開口数）
    Ｔ１・・・前記第１の光記録媒体の基板厚（第１基板厚）
    Ｔ２・・・前記第２の光記録媒体の基板厚（第２基板厚）
    Ｔ３・・・前記第３の光記録媒体の基板厚（第３基板厚）
  2. 前記回折光学素子の素子構造は断面形状が鋸歯状とされていることを特徴とする請求項１記載の光記録媒体用対物光学系。
  3. 前記回折光学面は、仮想平面上に回折光学素子構造を形成してなることを特徴とする請求項１または２記載の光記録媒体用対物光学系。
  4. 前記回折光学素子がプラスチックからなることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の光記録媒体用対物光学系。
  5. 前記回折光学素子がガラスからなることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の光記録媒体用対物光学系。
  6. 前記正レンズがプラスチックからなることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の光記録媒体用対物光学系。
  7. 前記正レンズがガラスからなることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の光記録媒体用対物光学系。
  8. 前記正レンズの少なくとも１面が非球面からなることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項記載の光記録媒体用対物光学系。
  9. 前記正レンズの少なくとも１面が回転対称な非球面からなることを特徴とする請求項８記載の光記録媒体用対物光学系。
  10. 前記第１の光記録媒体がアドバンスド・オプティカル・ディスク（ＡＯＤ）であり、前記第２の光記録媒体がＤＶＤであり、前記第３の光記録媒体がＣＤであることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項記載の光記録媒体用対物光学系。
  11. 請求項１〜１０のうちいずれか１項記載の光記録媒体用対物光学系を搭載されてなることを特徴とする光ピックアップ装置。
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