JP5149462B2 - ピックアップレンズ及びこれを含むユニット - Google Patents

Description

本発明は、ピックアップレンズ及びこれを含むユニットに関する。

従来より、ＣＤやＤＶＤなど、数種の光ディスクを１つの装置で記録或いは再生することが可能な互換型光ディスク装置が提案されている。
このような互換型光ディスク装置では、ＣＤやＤＶＤなど（以下、これらをまとめて光ディスクという）のそれぞれに記憶された情報信号を記録或いは再生するために、光源からのレーザビームをそれぞれの光ディスクの情報記録面に透明基板を介して集光させる必要がある。しかしながら、（ｉ）ＣＤの記録或いは再生時に用いられるレーザビームの波長とＤＶＤの記録或いは再生時に用いられるレーザビームの波長とは異なり、（ｉｉ）ＣＤの透明基板の厚さは１．２ｍｍであるのに対してＤＶＤの透明基板の厚さは０．６ｍｍでり、透明基板の厚さも異なる。従って、従来よりレーザビームを光ディスクの情報記録面に透明基板を介して集光させるために用いられていた光ピックアップレンズを、そのまま互換型光ディスク装置においてＣＤとＤＶＤで共用したのでは、前記（ｉ）及び（ｉｉ）を起因として発生する収差により、ＣＤとＤＶＤでそれぞれ用いられるレーザビームをそれぞれの光ディスクの情報記録面に回折限界近くまで集光させることができない。

また、近年、超高密度記録対応の光ディスク（ブルーレイ、ＨＤ−ＤＶＤ）対応の光ディスク装置が提案されている。そして、ＣＤやＤＶＤの記録或いは再生だけではなく、超高密度記録対応の光ディスクの記録或いは再生もできる互換型光ディスク装置の開発が期待される。従来の互換型光ディスク装置では、２種類の光源波長と２種類の厚さが異なる透明基板に対応すれば良かったが、開発が期待されている互換型光ディスク装置では、最大３種類の光源波長と最大３種類の厚さが異なる透明基板に対応する必要がある。

最大３種類の光源波長と最大３種類の厚さが異なる透明基板に対応するために、光ピックアップ装置に、光ディスクの種類毎に収差が発生しないような複数の光ピックアップレンズを設け、使用する光ディスクの種類に応じて光ピックアップレンズを交換することが考えられる。また、光ディスクの種類毎に光ピックアップ装置を設け、使用する光ディスクの種類に応じて光ピックアップ装置を交換することも考えられる。しかしながら、コストの低減や装置の小型化のためには、光ピックアップレンズとして、いずれの光ディスクに対しても共通のレンズを用いることが望ましい。

複数種類の光ディスクに対応可能な光ピックアップレンズの例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された光ピックアップレンズは、複数段の輪帯状凹部や凸部を形成することによりＤＶＤ再生時の再生特性をほとんど犠牲にすることなく、ＣＤ再生時の収差を抑制でき、１つの集光レンズでＤＶＤとＣＤの２種類の光ディスクに対応できる。特許文献１に開示された光ピックアップレンズでは、当該輪帯状凹部或いは凸部の深さ又は高さ（以下、単に段差量）ｈは、輪帯状凹部或いは凸部がない部分と輪帯状凹部或いは凸部の部分との光路長差がＤＶＤ用の波長の略整数倍になるように設定されている。すなわち、当該輪帯状凹部或いは凸部の単位段差量ｈは、ｈ≒ｍ×λ１／（ｎ１−１）で表される。ここに、ｍは自然数、λ１はＤＶＤ用の光源波長、ｎ１は光ピックアップレンズの屈折率である。

特開平１１−２８７９４８号公報

上述の特許文献１に開示された光ピックアップレンズは、複数種類の光ディスクの記録或いは再生できるので、光ディスク毎に光ピックアップレンズや光ピックアップ装置を交換するための装置が不要となり、コストの面や構成の簡略化の点で有利となる。

しかしながら、当該特許文献１に実施例として具体的に開示された光ピックアップレンズは、２つの問題点を有する。第１に、特許文献１にかかる光ピックアップレンズでは、ＤＶＤとＣＤについて波面収差が小さくなるように光ピックアップレンズ表面に複数段の輪帯状凹部や凸部が設けられ、ＤＶＤについては十分に波面収差が小さいものとなっているが、ＣＤについては必ずしも実用的に十分な波面収差低減効果が得られるものではない。

第２に、特許文献１では、ＤＶＤとＣＤについてのみ考慮されており、近年提案されている超高密度記録対応の光ディスク（ブルーレイ、ＨＤ−ＤＶＤ）は考慮されていない。開発が期待されている互換型光ディスク装置では、ＤＶＤやＣＤの記録或いは再生だけではなく、超高密度記録対応の光ディスク（ブルーレイ、ＨＤ−ＤＶＤ）の記録或いは再生もできることは、先にも述べたとおり今後の重要な課題である。

本発明の目的は、少なくとも３種類の光ディスクに対して実用可能なピックアップレンズを提供することにある。より詳細には、本発明の目的は、例えば、ＤＶＤとＣＤともに実用可能であり、かつブルーレイ、ＨＤ−ＤＶＤといった超高密度記録対応の光ディスクにも対応できるピックアップレンズを提供することにある。

本発明に係るピックアップレンズは、波長が異なる３つのレーザビームを用い、波長λ１のレーザビームでｔ１の情報記録媒体に記録再生し、波長λ２のレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に記録再生し、波長λ３のレーザビームで基板厚さｔ３の情報記録媒体に記録再生するためのピックアップレンズであって、前記ピックアップレンズの少なくとも１面には、同心円状かつ階段状の非球面形状が個別に設定された複数の輪帯が存在し、前記輪帯が形成された面を、光軸を含む第１領域と、前記第１領域の外側に隣接する同心円状の第２領域と、前記第２領域の外側に隣接する同心円状の第３領域に分けた場合に、前記第１領域には２以上の輪帯が存在し、前記第１領域に相当する範囲の波長λ１、λ２、λ３のレーザビームは、各々、基板厚さｔ１、ｔ２、ｔ３の情報記録媒体に集光し、前記第２領域には２以上の輪帯が存在し、前記第２領域に相当する範囲の波長λ１、λ２のレーザビームは、各々、基板厚さｔ１、ｔ２の情報記録媒体に集光する一方で、前記第２領域に相当する範囲の波長λ３のレーザビームは、基板厚さｔ３の情報記録媒体に集光せず、前記第３領域には２以上の輪帯が存在し、前記第３領域に相当する範囲の波長λ１のレーザビームは基板厚さｔ１の情報記録媒体に集光する一方で、前記第３領域に相当する範囲の波長λ２、λ３のレーザビームは、各々、基板厚さｔ２、ｔ３の情報記録媒体に集光しない。

本発明によれば、一つのピックアップレンズでも使用波長が異なる複数種の光ディスク夫々に対して実用可能なピックアップレンズを提供することができる。

発明の実施の形態２にかかる光ピックアップ装置の概略図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズ及び位相補償素子の概略図である。 従来例にかかる光ピックアップレンズのＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの波面収差を示す図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズのＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの波面収差を示す図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの輪帯構造を説明する図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズのＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤとＣＤの波面収差を示す図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの設計方法を示すフローチャートである。 本発明にかかる光ピックアップレンズのＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤとＣＤの波面収差を示す図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズのＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤとＣＤの波面収差を示す図である。 発明の実施の形態２にかかる光ピックアップ装置の概略図である。 本発明にかかる位相補償素子を用いないでＣＤを記録或いは再生した場合の波面収差を示す図である。 本発明にかかる位相補償素子の概略図である。 本発明にかかる位相補償素子を構成する各位相補償要素が与える位相差を示す図である。 本発明にかかる位相補償素子と光ピックアップレンズを用いた場合のＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤとＣＤの波面収差を示す図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズのレンズデータである。 本発明にかかる光ピックアップレンズのレンズデータである。 本発明にかかる光ピックアップレンズのレンズデータである。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズにおける共通使用領域と専用使用領域の光路長差を示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズにおける座標系を示す図である。 本発明にかかる光ピックアップレンズのレンズデータである。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズの非球面形状を数式で表現したデータを示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズにおける共通使用領域と専用使用領域の光路長差を示す表である。 本発明にかかる光ピックアップレンズのＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤとＣＤの波面収差を示す図である。

発明の実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップ装置の一例を示したものである。当該光ピックアップ装置は、ＨＤ−ＤＶＤ用の光源１００、ＤＶＤ用の光源１０１、ＣＤ用の光源１０２を備えている。光源１００は波長λ１＝４０５ｎｍのレーザビームを、光源１０１は波長λ２＝６５５ｎｍのレーザビームを、光源１０２は波長λ３＝７９０ｎｍのレーザビームをそれぞれ出射する。

光源１００と光源１０１のそれぞれから出射されたレーザビームの光路上にビームスプリッタ１０７が設けられている。ビームスプリッタ１０７は、光源１００から出射されたレーザビームを通過させ、かつ光源１０１から出射されたレーザビームを反射させ、それぞれ光ディスク側に導く。

ビームスプリッタ１０７より出射したレーザビームと、光源１０２から出射したレーザビームの光路上にビームスプリッタ１０８が設けられている。ビームスプリッタ１０８は、ビームスプリッタ１０７から出射されたレーザビームを通過させ、かつ光源１０２から出射されたレーザビームを反射させ、それぞれ光ディスク側に導く。

ビームスプリッタ１０８より出射したレーザビームの光路上にコリメータレンズ１０３が設けられている。それぞれの光源１０１、１０２、１０３から出射されたレーザビームは、コリメータレンズ１０３に入射する段階では、それぞれ発散光である。コリメータレンズ１０３は、光源１００から出射されたレーザビームと、光源１０１から出射されたレーザビームを発散光から略平行光に変換する。また、コリメータレンズ１０３は、光源１０２から出射されたレーザビームの発散角が狭くなるように変換し、出力する。但し、光源１０２から出射されたレーザビームは、コリメータレンズ１０３によって発散角の変換を受けた後も、発散光の状態を維持している。

コリメータレンズ１０３を通過したレーザビームの光路上に制限開口１０５が設けられている。制限開口１０５は、光ピックアップレンズ１０４の実効開口数を決定する素子である。具体的には、光ディスク１０６がＨＤ−ＤＶＤである場合は、光ピックアップレンズ１０４の実効開口数が約０．６５となるように制限開口１０５が動作する。また、光ディスク１０６がＤＶＤである場合は、光ピックアップレンズ１０４の実効開口数が約０．６０となるように制限開口１０５が動作する。さらに、光ディスク１０６がＣＤである場合は、光ピックアップレンズ１０４の実効開口数が約０．４７となるように制限開口１０５が動作する。制限開口１０５としては、例えば特開平９−５４９７７号公報記載の波長選択フィルタを用いることができる。

制限開口１０５を通過したレーザビームの光路上に光ピックアップレンズ１０４が設けられている。光ピックアップレンズ１０４は、入射された光を光ディスク１０６の情報記録面に回折限界近くまで集光させる機能を有する。光ピックアップレンズ１０４は、さらに、光ディスク１０６の情報記録面で反射されたレーザビームを検出系（図示せず）に導く機能も有する。当該光ピックアップレンズ１０４については、後に詳述する。

フォーカスサーボ時、及びトラッキングサーボ時には、光ピックアップレンズ１０４と制限開口１０５とが一体となって図示されないアクチュエータにより動作する。

なお、本実施の形態では、ＨＤ−ＤＶＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用の光ディスク１０６の透明基板はポリカーボネイトとし、ＨＤ−ＤＶＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用の光ディスク１０６の透明基板厚は、それぞれ０．６ｍｍ、０．６ｍｍ、１．２ｍｍとした。図１において光ディスク１０６ａがＨＤ−ＤＶＤ用、ＤＶＤ用の光ディスクであり、光ディスク１０６ｂがＣＤ用の光ディスクである。

次に、各光源１００、１０１、１０２から出射されたレーザビームが光ディスク１０６の情報記録面で反射され検出系に検出されるまでの挙動について説明する。

光源１００から出射されたレーザビームはビームスプリッタ１０７及びビームスプリッタ１０８を透過してコリメータレンズ１０３に入射する。光源１０１から出射されたレーザビームはビームスプリッタ１０７において反射され、ビームスプリッタ１０８を通過してコリメータレンズ１０３に入射する。光源１０２から出射されたレーザビームはビームスプリッタ１０８において反射されコリメータレンズ１０３に入射する。

コリメータレンズ１０３は、光源１００から出射されたレーザビームと、光源１０１から出射されたレーザビームを発散光から略平行光に変換する。また、コリメータレンズ１０３は、光源１０２から出射されたレーザビームの発散角が狭くなるように変換し、出力する。

コリメータレンズ１０３を通過したレーザビームは制限開口１０５によってその実行開口数が制限される。制限開口１０５を通過したレーザビームは、光ピックアップレンズ１０４に入射する。光ピックアップレンズ１０４は、入射されたレーザビームを光ディスク１０６の情報記録面に回折限界近くまで集光させる。光ディスク１０６の情報記録面で反射されたレーザビームは、光ピックアップレンズ１０４を介して検出系（図示せず）に入射し、検出される。検出系（図示せず）は、当該レーザビームを検出し、光電変換することによって、フォーカスサーボ信号、トラックサーボ信号、再生信号などを生成する。

次に、本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップ装置において用いられる光ピックアップレンズ１０４について詳細に説明する。

光ピックアップレンズ１０４は、上述のようにレーザビームを光ディスク１０６の情報記録面に集光させる役割を果たす素子である。図２に、当該光ピックアップレンズ１０４の正面図及び側面図を示す。本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップレンズ１０４は、図２に示されるように、その片面は不連続な非球面形状を有する。すなわち、レーザビームの入射面には、位相差を生させる複数の輪帯状凹部又は凸部が、互いに隣接する輪帯状凹部又は凸部に対して予め定められた段差量ｈを有しながら同心円状に形成されている。ここで、当該輪帯状凹部又は凸部を構成する各非球面は、その形状がＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差を小さくするように最適化されている。

この場合、輪帯状凹部或いは凸部の単位段差ｈは、ｈ≒ｍ×λ１／（ｎ１−１）で表される。なお、ｍは自然数、λ１はＨＤ−ＤＶＤ用の光源波長、ｎ１は集光レンズの屈折率である。

本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップレンズでは、特に、輪帯状凹部或いは凸部に上記単位段差ｈに基づく段差を与えた後、各輪帯を構成する非球面の形状を最適化し、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差を共に小さくするようにしている。

ここで、特許文献１に記載された光ピックアップレンズにおいて発生する波面収差について比較例として説明する。図３は、当該特許文献１に記載されたデータに基づき光ピックアップレンズを設計した場合における、情報記録面上に生じる波面収差を計算した結果を示す。図３において、横軸は光ピックアップレンズの規格化半径であり、"０"が光ピックアップレンズの中心軸を表し、"１"が光ピックアップレンズの端を表す。同じく縦軸は波面収差を示す。光ピックアップレンズの輪帯構造はその中心軸（光軸）に対して同心円状になるようにその形状が定められるので、実際の波面収差分布は、図３の分布をそのグラフの縦軸を中心として回転させたものに相当する。図３中の破線がＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１を有するレーザビームに対する波面収差を示し、実線がＤＶＤ用の波長λ２を有するレーザビームに対する波面収差を示す。

図３のグラフによれば、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１における波面収差ははぼ０であるが、ＤＶＤ用の波長λ２における波面収差は約６０ｍλｒｍｓであることが読み取れる。これは、レーザビームを回折限界近くまで絞り込むことのできる限界の波面収差値であるマレシャルの評価基準値７０ｍλｒｍｓを下回ってはいる。しかし、レンズの製造時におけるレンズ面の偏芯の発生や、光ヘッドへの組み込み時における取り付け誤差によるレンズチルトの発生に基づき、製造段階での波面収差の発生が妨げられないことも考えれば、約６０ｍλｒｍｓという波面収差の値は必ずしも実用的に十分な値ではない。

特許文献１に開示された光ピックアップレンズでは、波面収差の計算結果からすると、ＤＶＤとＣＤで用いられる光源波長について波面収差を低減するように設計されていると推測される。これに対して、本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップレンズでは、ブルーレイ、ＨＤ−ＤＶＤといった超高密度記録対応の光ディスクにも対応することを念頭において、まずＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤで用いられる光源波長について波面収差を低減するように光ピックアップレンズを設計したものである。なお、理解が容易になるように、光線追跡により光ピックアップレンズの瞳面での波面収差に換算してある。

図４に本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップレンズにおけるＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの波面収差を示す。この光ピックアップレンズにおいては、同心円状の輪帯構造は光ピックアップレンズのレーザビーム入射面側に形成され、先に述べたｈ≒ｍ×λ１／（ｎ１−１）であらわされる輪帯状凹部或いは凸部の単位段差ｈは、ｍ＝２で得られる値とした。また、図５に輪帯端位置とその輪帯深さに関するデータも示す。図５中の輪帯端位置とは、各輪帯の端が光ピックアップレンズの規格化半径に対してどこに位置するかを示す（図２参照）。また、図５中の段差とは、各輪帯のレンズのレーザビーム入射面中心位置を基準として各輪帯が光軸方向へどれだけの段差量を有しているかを示し、上記ｈの倍数で表される。段差が正のときはレンズ厚が厚くなる方向へ輪帯が形成され、段差が負のときはレンズ厚が薄くなる方向へ輪帯が形成される。

本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップレンズでは、図６に示すフローチャートに従って設計する。最初に、段差量ｈを決定し、輪帯状凹部或いは凸部に段差量ｈを与える（Ｓ１０１）。このステップＳ１０１では、一方の波長のみでなく、両方の波長λ１、λ２、波長λ１のレーザビームに対するレンズの屈折率ｎ１、波長λ２のレーザビームに対するレンズの屈折率ｎ２、変数を因子とする算出式を予め用意しておく。そして、変数を所定の範囲内で定めて当該算出式に基づいて段差量を決定する。

次に、各輪帯を構成する非球面の形状を最適化し、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差を共に小さくするようにする（Ｓ１０２）。

具体的には、例えば、同一出願人の特開２００３−２７０５２８号（米国特許６，６７８，０９６号)に開示されているように、同心円状の輪帯構造を透過するλ１のレーザビームによって生じる波面収差とλ２のレーザビームによって生じる波面収差のうち、最大の波面収差をＷ_ｍａｘ、最小の波面収差をＷ_ｍｉｎとしたとき、１≦Ｗ_ｍａｘ／Ｗ_ｍｉｎ＜１．８で基板厚さｔ１の光ディスクと基板厚さｔ２の光ディスクに対してそれぞれλ１のレーザビームとλ２のレーザビームが集光することが好ましい。好ましい範囲は、１≦Ｗ_ｍａｘ／Ｗ_ｍｉｎ＜１．６であり、さらに好ましい範囲は１≦Ｗ_ｍａｘ／Ｗ_ｍｉｎ＜１．４である。また、前記同心円状の輪帯構造を透過するλ１のレーザビームによって生じるＲＭＳ波面収差とλ２のレーザビームによって生じるＲＭＳ波面収差がいずれも０．０４０λ以下であることが望ましい。好ましい範囲は０．０３５λ以下である。若しくは、前記同心円状の輪帯構造を透過するλ１のレーザビームとλ２のレーザビームは、それぞれ基板厚さｔ１の光ディスクと基板厚さｔ２の光ディスクに対して、ＲＭＳ波面収差が{（Ｗ_１ ^２＋Ｗ_２ ^２）／２}^１／２≦０．０２８（但し、λ１のレーザビームに対する波面収差Ｗ_１、λ２のレーザビームに対する波面収差Ｗ_２とする）となるように集光させることが好ましい。このＲＭＳ波面収差は、０．０２６であることが好ましく、さらに０．０２５や０．０２３であることがさらに好ましい。

図４に示される計算結果によれば、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１における波面収差のｒｍｓ値は約３４ｍλｒｍｓ、ＤＶＤ用の波長λ２における波面収差のｒｍｓ値は約３５ｍλｒｍｓであった。図４に示されるように、波長λ１に対する波面収差のグラフと波長λ２に対する波面収差のグラフは波面収差値０の軸を中心にほぼ線対称になっていることがわかる。即ち、波長λ１に対する波面収差と波長λ２に対する波面収差とはその絶対値が略等しく、かつ正負の符号が逆になるように設計されている。いずれの光ディスクに関しても、製造時に発生する波面収差を考慮しても光ディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができる。

このように、段差量ｈを決定し、輪帯状凹部或いは凸部に決定した段差量ｈを与えた後、各輪帯を構成する非球面の形状を最適化する本発明にかかる光ピックアップレンズでは、２つの光ディスクで用いられる２つの波長で、各々波面収差を実用的に十分小さいレベルまで低減することができる。これは、前記特許文献１において開示された光ピックアップレンズでは得られなかった効果である。

以上により１つの光ピックアップレンズでＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録再生が可能となった。次に、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤだけではなくＣＤの記録再生をも１つの光ピックアップレンズで可能とするための手法について説明する。

図７は、上記手法によりＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差を共に小さくするように設計された光ピックアップレンズ１０４に対して、ＣＤのレーザビームを平行光束にコリメートして入射させた場合の波面収差をあらわす。図６中の破線がＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１における波面収差を示し、実線がＤＶＤ用の波長λ２における波面収差を示す。また、太い実線がＣＤ用の波長λ３における波面収差を示す。ＣＤについての波面収差はなんら補償されていないため、ＣＤ用の波長λ３における波面収差は約２６１ｍλｒｍｓと大きい。なお、ＣＤの開口数は０．４７とし、この場合の規格化半径は約０．７２となる。

これに対して図８はＣＤについては有限系とした場合の波面収差を示す。有限系とは、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームを平行光束にコリメートし光ピックアップレンズへ入射（以下、無限系という。）するのではなく、発散光として入射させ、その入射光の発散度合い、すなわち幾何光学的にいう光ピックアップレンズにとっての物像間距離を変えることにより球面収差が変化する性質を利用して、図７に示されるようなＣＤにおける波面収差を補正するものである。

図８におけるＣＤ用の波長λ３における波面収差は約２７ｍλｒｍｓであり、光ピックアップレンズ製造時に発生する波面収差を考慮しても光ディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができる。なお、かかる場合の物体間距離は約４９．８ｍｍであった。

このように、本発明の実施の形態１にかかる光ピックアップ装置は、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差を共に小さくするように設計された光ピックアップレンズ１０４に対して、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２のレーザビームは無限系で入射させ、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームは所定の有限系にて入射させているので、１つの光ピックアップレンズ１０４でＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ及びＣＤの互換を確保できる。

但し、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差を共に小さくするように光ピックアップレンズ１０４に構築する同心円状の輪帯構造を設計するに際しては、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームが、その輪帯構造によって位相差を付加されにくいような同心円状の輪帯構造とすることが望ましい。具体的には、輪帯構造によってＣＤ光源の光に付加される位相差（収差）が極力ＣＤ波長の整数倍に近いほどよい。

図９は、先に述べたｈ≒ｍ×λ１／（ｎ１−１）で表される単位段差ｈにおいて、ｍ＝３とした場合におけるＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２とＣＤ用のレーザビームλ３の波面収差を計算した結果である。ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差は、ｍ＝２として得られた図８に示される波面収差とほぼ同等の結果が得られるのに対して、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームでは、有限系を採用しても波面収差を十分に低減することはできない。ＣＤ用の波長λ３のレーザビームにおける波面収差に複数箇所の大きな不連続点が現れているが、その半径位置に輪帯の段差が形成されており、輪帯の段差によってＣＤ用の波長λ３のレーザビームに大きな位相差が付加されてしまっているからである。このＣＤ用の波長λ３のレーザビームにおいて生じる輪帯の段差に起因した波面収差は、有限系を採用しても十分に低減することは困難である。一方、図８で示したＣＤ用の波長λ３のレーザビームの波面収差においても、図９に示したものと同様に複数箇所の不連続点が現れているが、いずれも０．１λ以下であり小さい。これは、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームに大きな位相差が付加されにくい単位段差ｈとなっているからである。

ＣＤ用の波長λ３のレーザビームに大きな位相差が付加されにくい単位段差ｈは、本実施の形態では例えばｍ＝２の場合に得られるが、これは、単位段差ｈがｈ≒ｍ×λ１／（ｎ１−１）で規定され、λ１の値とｎ１の値で決定されるものであるから、全ての場合においてｍ＝２が最適であるとは限らない。本実施の形態では、λ１＝４０５ｎｍとし、レンズ材料としてはプラスチック系の材料を用いたため、ｎ１＝１．５２であった。なお、ｍ＝２の場合とまったく同様にして、ｍ＝８、ｍ＝１０の場合等でも、ＨＤ−ＤＶＤ用の波長λ１とＤＶＤ用の波長λ２の波面収差を共に小さくしながら、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームに大きな位相差が付加されにくい効果が得られる。また、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームに大きな位相差が付加されにくい段差量は、ＣＤにおける実用的な波面収差を得る観点から、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームの波面収差における各不連続点の位相差が概ね０．１５λ以下となるように選択することが望ましく、さらに、０．１０λ以下となるように選択することが好ましい。ただし、局所的に０．１５λを超えても波面収差全体として与える効果は小さいから、この点にも留意して段差量を選択すべきである。

図１５〜図１７は、上記最適化の結果得られた、図１中に示した光ピックアップレンズ１０４とディスク１０６のレンズデータであり、図１５はＨＤ−ＤＶＤ、図１６はＤＶＤ、図１７はＣＤの場合に相当する。光ピックアップレンズ１０４の材質はプラスチック相当とし、ディスク１０９の透明基板はポリカーボネイト（ＰＣ）とした。これら材質の波長ごとの屈折率は、図１５〜図１７に示したとおりである。また、「ＡＩＲ」とは面と面との間が空気で満たされていることを意味する。

図１８〜図２０は、光ピックアップレンズ１０４の非球面形状を数式で表現したものである。一般的に、図２２に表した座標系において、レンズの非球面の形状は、いわゆるサグｚの表現で下記（１）式のように表される。なお、ｃ＝１／Ｒである。

この（１）式のパラメータを用いて、光ピックアップレンズ１０４の物体側の面を表記すると、図１８，図１９で示したようになる。すなわち、図２に示したように光ピックアップレンズ１０４の物体側の面は不連続な非球面形状を有するので、その不連続な非球面形状を構成する領域ごとにその非球面形状が表記される。連続な非球面形状からなる像側の面は図２０で表される。図１８〜図２０中の「領域の範囲」とは各領域において（１）式で表される非球面形状が有効なレンズ半径（単位はｍｍ）を表す。また、図１８〜図２０中の「Ｂ」は光軸上のサグ量（単位はｍｍ）を表す。なお、図１８〜図２０で表される各パラメータの値はＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定された結果である。

図１８，図１９に示すように、光ピックアップレンズ１０４の物体側の面は９個の輪帯状の領域からなり、光軸を含む領域からレンズ外側方向へ数えて７番目までの領域は、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録再生時において共に使用する領域であることから、以下、ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ共通使用領域と呼ぶことにする。同じく８番目及び９番目の領域は、ＨＤ−ＤＶＤの記録再生時のみにおいて用いられ、ＤＶＤの記録再生時には用いられない領域であるため、ＨＤ−ＤＶＤ専用使用領域と呼ぶことにする。

図２１には、図１８〜図２０に示した各非球面部において、第１区間の概略の光路長を基準とした時にＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ共通使用領域とＨＤ−ＤＶＤ専用使用領域に相当する第２〜９区間の概略光路長が、それぞれ概略で波長λの何倍ずれているかが示されている。

図２１よりわかるように、第２〜９区間が波長４０５ｎｍのＨＤ−ＤＶＤに対しては２ｍλの差、波長６５５ｎｍのＤＶＤ及び波長７９０ｎｍのＣＤに対してはｍλの差（ｍは整数）となっている。これは、短い方の波長λ１が３８０〜４３０ｎｍの間に、長い方の波長λ２が波長６３０〜６８０ｎｍの間にあり、λ３が波長７９０ｎｍ付近にあるので、上記した概略光路長の差の関係を満足しやすいためである。

発明の実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２にかかる光ピックアップ装置の構成例を示したものである。当該光ピックアップ装置の基本的な構成は、図１に示される発明の実施の形態１にかかる光ピックアップ装置と同じであり、特徴的な構成要素である光ピックアップレンズ１０４も同じものを用いることができる。発明の実施の形態１では、ＣＤ用の波長λ３のレーザビームを所定の有限系にて光ピックアップレンズ１０４に対して入射させることにより、ＣＤ用のレーザビームに対する波面収差を低減したのに対して、本発明の実施の形態２では、ＣＤ用の光源１０２と偏光ビームスプリッタ１０８の光路中に位相補償素子１１０を挿入することにより、ＣＤ用のレーザビームに対する波面収差を低減した。

本発明の実施の形態２では、全ての光源１００、１０１、１０２のレーザビームが、コリメータレンズ１０３によって略平行光に変換されて、光ピックアップレンズ１０４に対して入射する。このままでは、ＣＤ用のレーザビームに対する波面収差は図７に示したように大きくなってしまうことは発明の実施の形態１において述べたとおりである。

そこで、本発明の実施の形態２ではＣＤに有限系を用いない代わりに、ＣＤ用の光源１０２と偏光ビームスプリッタ１０８の光路中に位相補償素子１１０を挿入し、ＣＤ用のレーザビームに対する波面収差を低減した。以下、位相補償素子１１０について説明する。

ＣＤも無限系を採用した場合の波面収差の計算結果を図１１に示す。図１１に示されるように、この場合の波面収差は、最大で０．５λ以上ある。このような波面収差を低減するための位相補償素子１１０の例を図１２に示した。図１２の上側に当該位相補償素子１１０の正面図を、同図の下側に当該位相補償素子１１０の側面図をそれぞれ示す。図１２に示されるように、位相補償素子１１０は複数の同心円状の位相補正要素からなり、各位相補正要素ではそれぞれレーザビームに与える位相差量が異なる。同心円状の位相補正要素を位相補償素子１１０の中心のほうからｐ１、ｐ２、・・・、ｐｎとし、その各外延をｂ１、ｂ２、・・・、ｂｎとすると、本実施の形態２では、各位相補正要素で与える位相差を、ｐ１＝０λ、ｐ２＝−０．１２λ、ｐ３＝−０．２４λ、ｐ４＝−０．３６λ、ｐ５＝−０．４８λ、ｐ６＝−０．３６λ、ｐ７＝−０．２４λ、ｐ８＝−０．１２λ、ｐ９＝０λとした場合、各位相補正要素の外延は、光ピックアップレンズのＨＤ−ＤＶＤ或いはＤＶＤにおける最大の有効径から逆算される位相補償素子１１０挿入位置における最大の有効径で規格化した値として、ｂ１＝０．２０４、ｂ２＝０．２６２、ｂ３＝０．３６３、ｂ４＝０．５０７、ｂ５＝０．５４９、ｂ６＝０．６０１、ｂ７＝０．６５１、ｂ８＝０．６７４、ｂ９＝１となる（図１１、図１３参照）。

図１４は、ＣＤの記録或いは再生時に光ピックアップレンズ１０４により低減しきれない図１１の実線で示した波面収差成分を位相補償素子１１０を用いて低減した場合の波面収差の計算結果を示す。補償後の波面収差は約４０ｍλｒｍｓであり、大幅に改善されているのがわかる。今回、各位相補正要素で与える位相差を、−０．１２λの倍数としたが、例えば−０．１０λの倍数とすれば、さらに波面収差のｒｍｓ値を低減することが可能である。ただし、位相補償素子１１０をさらに多くの各位相補正要素で構成しなければならない。さらには、今回、各位相補正要素で与える位相差を、ある値の倍数としたが、必ずしも各位相補正要素で与える位相差をある値の倍数にしなければならないわけではない。例えば、各位相補正要素の外延ｂ１、ｂ２、・・・、ｂｎを光ピックアップレンズ１０４の不連続点ａ１、ａ２、・・・、ａｍ（図２参照）と極力一致しないように設定する方法もある。かかる場合、位相補償素子１１０と、光ピックアップレンズ１０４との位置ずれに対しても許容度が増す点で有利である。

また、位相補償素子１１０は、例えば光透過特性に優れた平面板に同心円状の輪帯構造を設けることによって実現できる。例えば本実施の形態２ならば、互いに隣接する輪帯同士で概ね−０．２λ以内の位相差、より好ましくは−０．１２λの位相差が発生するような単位段差となるように輪体構造を設計すればよい。

なお、図１０中の光ピックアップレンズ１０４とディスク１０６のレンズデータは、図１５〜図１７、及び図１８〜図２０に示したものと同じである。

発明の実施の形態３．
上記実施の形態１と実施の形態２は超高密度記録対応の光ディスクとしてＨＤ−ＤＶＤを考慮したものであるが、ブルーレイを考えた場合でも、同様に設計することにより実現することができる。本実施の形態３はブルーレイを考慮したものである。

図２３は、上記最適化の結果得られた、図１中に示した光ピックアップレンズ１０４とディスク１０６のレンズデータであり、図２３（ａ）はブルーレイ、図２３（ｂ）はＤＶＤ、図２３（ｃ）はＣＤの場合に相当する。光ピックアップレンズ１０４の材質はガラス相当とし、ディスク１０９の透明基板はポリカーボネイト（ＰＣ）とした。これら材質の波長ごとの屈折率は、図２３（ａ）〜（ｃ）に示したとおりである。また、「ＡＩＲ」とは面と面との間が空気で満たされていることを意味する。

図２４〜図２９は、光ピックアップレンズ１０４の非球面形状を数式で表現したものである。一般的に、図２２に表した座標系において、レンズの非球面の形状は、いわゆるサグｚの表現で上記（１）式のように表される。なお、ｃ＝１／Ｒである。

（１）式のパラメータを用いて、光ピックアップレンズ１０４の物体側の面を表記すると、図２４〜図２９で示したようになる。すなわち、図２に示したように光ピックアップレンズ１０４の物体側の面は不連続な非球面形状を有するので、その不連続な非球面形状を構成する領域ごとにその非球面形状が表記される。連続な非球面形状からなる像側の面は図３０で表される。図２４〜図３０中の「ｈの範囲」とは各領域において（１）式で表される非球面形状が有効なレンズ半径（単位はｍｍ）を表す。また、図２４〜図３０中の「Ｂ」は光軸上のサグ量（単位はｍｍ）を表す。なお、図２４〜図３０で表される各パラメータの値はブルーレイとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定された結果である。

図２４〜図２９に示すように、光ピックアップレンズ１０４の物体側の面は３１個の輪帯状の領域からなり、光軸を含む領域からレンズ外側方向へ数えて２９番目までの領域は、ブルーレイとＤＶＤの記録再生時において共に使用する領域であることから、以下、ブルーレイ／ＤＶＤ共通使用領域と呼ぶことにする。同じく３０番目及び３１番目の領域は、ブルーレイの記録再生時のみにおいて用いられ、ＤＶＤの記録再生時には用いられない領域であるため、ブルーレイ専用使用領域と呼ぶことにする。

図３１には、図２４〜図２９に示した各非球面部において、第１区間の概略の光路長を基準とした時にブルーレイ／ＤＶＤ共通使用領域とブルーレイ専用使用領域に相当する第２〜３１区間の概略光路長が、それぞれ概略で波長λの何倍ずれているかが示されている。

図３１よりわかるように、第２〜２９区間が波長４０５ｎｍのブルーレイに対しては２ｍλの差、波長６５５ｎｍのＤＶＤ及び波長７９０ｎｍのＣＤに対してはｍλの差（ｍは整数）となっている。これは、短い方の波長λ１が３８０〜４３０ｎｍの間に、長い方の波長λ２が波長６３０〜６８０ｎｍの間にあり、λ３が波長７９０ｎｍ付近にあるので、上記した概略光路長の差の関係を満足しやすいためである。また、図３２にブルーレイ、ＤＶＤ及びＣＤの波面収差図を示す。

１００・・・ＨＤ−ＤＶＤ用の光源
１０１・・・ＤＶＤ用の光源
１０２・・・ＣＤ用の光源
１０３・・・コリメータレンズ
１０４・・・光ピックアップレンズ
１０５・・・制限開口
１０６・・・光ディスク
１０７・・・ビームスプリッタ
１０８・・・ビームスプリッタ
１１０・・・位相補償素子

Claims (2)

1. 波長が異なる３つのレーザビームを用い、無限遠からの波長λ１のブルーレイレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に開口数ＮＡ１で集光し、無限遠からの波長λ２のＤＶＤレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に開口数ＮＡ２で集光し、波長λ３のＣＤレーザビームで基板厚さｔ３の情報記録媒体に開口数ＮＡ３で集光するためのブルーレイ、ＤＶＤ、ＣＤ用のピックアップレンズであって、
   前記ピックアップレンズは単一素材の単玉からなる両凸レンズからなり、
   前記ピックアップレンズの少なくとも１面には、同心円状の複数の輪帯が存在し、
   前記輪帯が形成された面を、光軸を含む同心円状の第１領域と、前記第１領域の外側に隣接する同心円状の第２領域と、前記第２領域の外側に隣接する同心円状の第３領域に分けた場合に、
   前記第１領域には２以上の輪帯が存在し、前記第１領域に相当する範囲の波長λ１、λ２、λ３のレーザビームは、各々、基板厚さｔ１、ｔ２、ｔ３の情報記録媒体に集光し、
   前記第２領域には２以上の輪帯が存在し、前記第２領域に相当する範囲の波長λ１、λ２のレーザビームは、各々、基板厚さｔ１、ｔ２の情報記録媒体に集光する一方で、前記第２領域に相当する範囲の波長λ３のレーザビームは、フレア化により、基板厚さｔ３の情報記録媒体に集光せず、
   前記第３領域に相当する範囲の波長λ１のレーザビームは基板厚さｔ１の情報記録媒体に集光する一方で、前記第３領域に相当する範囲の波長λ２、λ３のレーザビームは、各々、フレア化により、基板厚さｔ２、ｔ３の情報記録媒体に集光せず、
   前記無限遠からの波長λ１のレーザビームを基板厚さｔ１の情報記録媒体に集光し、前記無限遠からの波長λ２のレーザビームを基板厚さｔ２の情報記録媒体に集光する第１領域および第２領域について、各領域に存在する２以上の輪帯の面形状を、個別に設定し、
   波長λ１のレーザビームによって生じる波面収差と波長λ２のレーザビームによって生じる波面収差のうち、最大の波面収差をＷｍａｘ、最小の波面収差をＷｍｉｎとしたとき、１≦Ｗｍａｘ／Ｗｍｉｎ＜１．８で基板厚さｔ１の情報記録媒体と基板厚さｔ２の情報記録媒体に対してそれぞれ波長λ１のレーザビームと波長λ２のレーザビームが集光することを特徴とするピックアップレンズ。
2. 波長が異なる３つのレーザビームを用い、無限遠からの波長λ１のブルーレイレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に開口数ＮＡ１で集光し、無限遠からの波長λ２のＤＶＤレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に開口数ＮＡ２で集光し、波長λ３のＣＤレーザビームで基板厚さｔ３の情報記録媒体に開口数ＮＡ３で集光するためのブルーレイ、ＤＶＤ、ＣＤ用のピックアップレンズを備えるピックアップ装置であって、
   波長λ１、λ２、λ３のレーザビームを出射する光源と、
   前記光源から出射されたレーザビームを情報記録媒体に導くためのビームスプリッタと、
   前記光源から出射されたレーザビームの発散角を変換するコリメータレンズと、
   前記波長λ１、λ２、λ３のレーザビームを、各々、前記基板厚さｔ１、ｔ２、ｔ３の情報記録媒体に集光させる前記ピックアップレンズを、少なくとも備え、
   前記ビームスプリッタは、前記光源と前記ピックアップレンズの間の光路上に設けられるとともに、前記コリメータレンズは、前記ビームスプリッタと前記ピックアップレンズの間の光路上に設けられ、
   前記ピックアップレンズは単一素材の単玉からなる両凸レンズからなり、
   前記ピックアップレンズの少なくとも１面には、同心円状の複数の輪帯が存在し、
   前記輪帯が形成された面を、光軸を含む同心円状の第１領域と、前記第１領域の外側に隣接する同心円状の第２領域と、前記第２領域の外側に隣接する同心円状の第３領域に分けた場合に、
   前記第１領域には２以上の輪帯が存在し、前記第１領域に相当する範囲の波長λ１、λ２、λ３のレーザビームは、各々、基板厚さｔ１、ｔ２、ｔ３の情報記録媒体に集光し、
   前記第２領域には２以上の輪帯が存在し、前記第２領域に相当する範囲の波長λ１、λ２のレーザビームは、各々、基板厚さｔ１、ｔ２の情報記録媒体に集光する一方で、前記第２領域に相当する範囲の波長λ３のレーザビームは、フレア化により、基板厚さｔ３の情報記録媒体に集光せず、
   前記第３領域に相当する範囲の波長λ１のレーザビームは基板厚さｔ１の情報記録媒体に集光する一方で、前記第３領域に相当する範囲の波長λ２、λ３のレーザビームは、各々、フレア化により、基板厚さｔ２、ｔ３の情報記録媒体に集光せず、
   前記無限遠からの波長λ１のレーザビームを基板厚さｔ１の情報記録媒体に集光し、前記無限遠からの波長λ２のレーザビームを基板厚さｔ２の情報記録媒体に集光する第１領域および第２領域について、各領域に存在する２以上の輪帯の面形状が、個別に設定されており、
   波長λ１のレーザビームによって生じる波面収差と波長λ２のレーザビームによって生じる波面収差のうち、最大の波面収差をＷｍａｘ、最小の波面収差をＷｍｉｎとしたとき、１≦Ｗｍａｘ／Ｗｍｉｎ＜１．８で基板厚さｔ１の情報記録媒体と基板厚さｔ２の情報記録媒体に対してそれぞれ波長λ１のレーザビームと波長λ２のレーザビームが集光するピックアップレンズを用いることを特徴とするピックアップ装置。

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