CN101373608B - 物镜光学元件和光学头装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种物镜光学元件和光学头装置，能用1个光盘装置处理使用相同的波长的激光但基板厚度不同的2个光盘，也能重放多层光盘。具有折射透镜部和液晶元件，以便使激光以第1数值孔径会聚在薄的基板厚度的光盘上，并使激光以比第1数值孔径小的第2数值孔径会聚在厚的基板厚度的光盘上。折射透镜部设计成在第2数值孔径的范围内对于2个光盘的中间的基板厚度RMS波面像差为极小，在第2数值孔径的外侧的区域中对于光盘的基板厚度RMS波面像差为0.05λ以下。互换用的液晶元件校正因两个光盘的基板厚度的差引起的球面像差，多层用的液晶元件校正基于多层光盘的层选择的球面像差。

Description

物镜光学元件和光学头装置
技术领域
本发明涉及物镜光学元件和具备该物镜光学元件的光学头装置，特别是涉及适应于基板厚度或数值孔径不同的光信息记录介质的物镜光学元件和光学头装置。
背景技术
由于在CD(致密盘)、DVD(数字通用盘)或MO(磁光盘)等的光信息记录介质(以下称为光盘)上以光学的方式记录了信息或重放在光盘上记录了的信息(以下将进行记录和重放中的至少一种操作称为记录/重放)，所以开发了光信息记录重放装置(以下称为光盘装置)。此外，最近也开发了谋求大容量化的HD(高清晰度DVD)及BD(蓝光盘)作为下一代高密度光盘。光盘成为用由透明树脂构成的覆盖层覆盖了信息记录层的结构。例如，在DVD用的光盘的信息的记录和/或重放中，使用了波长660nm波段的半导体激光器和NA从0.6到0.65的物镜作为光源。现在，为了使每1张光盘的信息量增加，提出了两种途径。但是，在两种途径的哪一种的情况下，都显示出光盘的基板具有的球面像差成为问题。
第一种途径是不将信息记录层制作单层而是制作两层以上的多层。例如，在DVD中，信息记录层为单层的光盘(以下称为“单层光盘”)的覆盖层厚度是0.6mm，但信息记录层为两层的光盘(以下称为“多层光盘”)在光入射侧的覆盖层厚度0.56mm和0.63mm的位置上形成了信息记录层。在光盘装置中，在使用对于单层光盘进行了最佳设计使得像差为零的物镜来记录和/重放多层光盘的情况下，因覆盖层厚度的差别而发生球面像差，朝向信息记录层的入射光的会聚性恶化。特别是在记录型的多层光盘中，会聚性的恶化成为会聚功率密度下降的原因，由于导致写入错误，所以成为问题。
针对该问题，在非专利文献1中提出了用于多层光盘用途的用液晶元件来校正因基板厚度偏移引起的球面像差的方案。如图1中所示，该光学头装置的特征在于：存在液晶相位补偿元件1和用于控制该液晶相位补偿元件的球面像差检测电路2。除此以外，对于光盘3，与通常的光学头装置同样，为具备半导体激光器4、准直透镜5、偏振光束分离器6、1/4波片7、物镜8、全息光学元件(HOE)9、检测用会聚透镜10、光检测器(PD)11、自动聚焦/跟踪伺服电路12和RF电路13的结构，输出RF信号14。
在图2中表示液晶相位补偿元件的结构图。图2(a)是表示电极的配置的图，图2(b)是表示液晶补偿元件的剖面和补偿前后的波面的变化的图。液晶相位补偿元件为在第1基板15与第2基板16之间夹持液晶层17的结构，通过对在第1基板15上被构图为同心圆状的多个电极SA1～SA4施加所希望的交流电压，可补偿球面像差。在用于补偿该球面像差的电压下降型电极图案中，低电阻电极的中心和分极电极的中心配置在光轴上。
在非专利文献1中使用了图3中所示的规格的液晶相位补偿元件，通过控制对各自的电极施加的电压量，可校正图4中表示的量的球面像差。使用该元件重放不同的基板厚度的双层盘的结果是图5。如图5中所示，在像差补偿量变窄的基板厚度0.08mm或0.12mm的情况下，球面像差可从200mλ减少到50mλ、即1/4的量。为了确认利用像差补偿元件能够减少球面像差，观察了物镜瞳面的干涉图案，结果是图6。图6(a)是补偿前的干涉图案，图6(b)是补偿后的干涉图案。波长λ＝405nm，NA＝0.45。如果看图6，则可确认没有像差补偿元件时的物镜瞳面中心的干涉条纹呈紊乱状态，而利用像差补偿元件驱动，干涉条纹变得漂亮。这表明能够校正球面像差。
但是，在这样的利用液晶元件的像差补偿中，不能完全使球面像差为零。其原因是由进行了区域分割的液晶元件进行的校正技术的机理。例如，在图2中，对处于各区域的电极S1～S4供给一定量的电压，将在该区域内在全部的场所中校正的球面像差定为某个既定值，用阶梯型的函数校正球面像差。因此，如图2中所示，不能完全消除作为高次函数表现的球面像差。当然，通过使区域分割细化，能够提高像差补偿的精度，但另一方面用于电压施加的布线数增加，不仅电压控制变得复杂，而且不能忽略布线的存在本身对波面的影响。
在本发明中，使用了RMS波面像差(均方根)作为表示光学性能的评价指标。现在说明该RMS波面像差。首先叙述波面像差。光是一种波，从半导体激光器射出的光作为球面波面来行进。所谓波面像差，是通过了透镜的同心球面波面的紊乱。例如，如果假定是理想的透镜，则通过了理想透镜的光在某一点聚焦。在此，不着眼于透镜，而着眼于波面，将这样的没有外部紊乱的波面称为理想波面。另一方面，实际的波面与理想波面相比产生偏差。用标准偏差来表示该偏差，理想波面与实际的波面的标准偏差是RMS波面像差。此外，如非专利文献2中所示，在光学设计的领域中，作为Reileigh的四分之一波长法则，如果在射出瞳上波面像差不超过1/4，则发现像不太恶化。由于该法则不仅适应于像的强度分布为波面像差的最大值，而且适应于各种各样的波面的形态(像差的类型)，所以有必要指定在衍射焦点处的强度的值来确定允许条件。这样，所考虑的是Marechal条件。所谓Marechal条件，指的是“在衍射焦点F处的归一化了强度为0.8以上的情况下，系统被充分地校正了”，这与“波面与在衍射焦点中具有中心的参照球面之间的偏移的标准偏差(RMS波面像差)为λ/14以下”是等效的。在光学头装置中，不仅发生物镜光学元件的组装调整误差和光学元件单体的像差，而且发生其它的光学元件的组装调整误差和光学元件单体的像差。因此，通常，光学头装置设计成，作为光学头装置整体满足Marechal条件，对于上述液晶相位补偿元件的区域分割数，也一边考虑制造成本、控制的容易程度、一边考虑Marechal条件，设计成尽可能少的区域分割数。
第二种途径是为了在信息记录层中写入尽可能多的信息而形成小的记录标记的方法。通过使用波长短的激光和NA大的物镜来实现这一点。因此，为了提高光盘的记录密度，提出了作为光源的波长为405nm波段的半导体激光器、NA为0.85的物镜和覆盖层厚度为0.1mm的光盘作为BD规格。此外，在同一时期还提出了使用只有波长与BD相同的波长405nm波段的半导体激光器、而覆盖层厚度是与DVD同样的0.6mm、NA为0.65的物镜而构成的HD规格。在与上述两种不同规格的盘对应的情况下，有必要校正两者的球面像差的差别。
作为分发介质光盘主要存储了影像、软件内容，在重放该光盘的光盘装置中特别要求能重放现有的光盘的低位互换性。因此，虽然BD、HD、DVD、CD这样的各种光盘的从基板表面到记录层的厚度或记录、重放中使用的激光器的波长、物镜的数值孔径不同，但已开发了能用一个光盘装置处理多种光盘的装置。
对于实现该第二种途径时产生的问题，例如，在专利文献1中记载了用1个光盘装置对迄今为止已普及了的CD或DVD实现了信号的读写。在专利文献1中，用轴滑动型的支撑单元支撑CD用和DVD用的两个物镜，以轴为中心旋转支撑单元来转换物镜。此外，如果成为BD/HD互换，则也可用与专利文献2中所示那样的CD/DVD互换透镜同样的设计方法，设计由衍射晶格结构形成的BD/HD互换透镜。再者，在专利文献3中提出了通过BD或HD用的物镜与液晶元件进行的球面像差校正的组合来进行BD/HD的互换。
在本说明书中，将该“从基板表面到进行重放的记录层为止的厚度”记为基板厚度。如果在进行了这样的定义时考虑双层的BD盘，则即使在同一盘中，在着眼于从光入射侧看靠近观察者一侧的层时的基板厚度是0.0975μm、着眼于深的一侧的层的基板厚度为0.1μm。这意味着在同一盘的重放时重放不同的层时，必须校正不同的球面像差量。
【专利文献1】特开平10-172151号公报
【专利文献2】特开平7-98431号公报
【专利文献3】特开2007-26540号公报
【非专利文献1】SPIE Vol.4342 p457(2002)，“MeasuringSpherical Aberration for Dynamic Compensation of Substrate-Thickness Errors”(Reprinted from ODS2001)
【非专利文献2】Principles of Optics II，p696(1975)MaxBorn，Emil Wolf著，草川彻、横田英嗣译(东海大学出版会)
在专利文献1中，在DVD用和CD用中转换使用不同的物镜来，光学头的重量变重，在机械可靠性和生产性方面的进一步改善成为必要。也可以用与专利文献2中所示那样的CD/DVD互换透镜同样的设计方法设计BD/HD互换透镜，但由于成为在同一波长中用衍射晶格把光的全部分量分成BD和HD的设计，各自的光利用效率降低，记录重放功能下降。如果是专利文献3，则为了利用全部的光，在理论上并用BD、HD专用的物镜能期待高的光利用效率。但是，在该方法的情况下，因为用液晶元件必须校正的球面像差量较大，不能避免液晶元件的大型化或驱动电压的上升。此外，由于存在液晶元件中只能用阶梯状进行相位校正的原理的问题，所以越大的球面像差的校正其精度越差。
发明内容
本发明正是考虑上述情况而完成的，其目的在于可提供下述的物镜光学元件和光学头装置：减少了在液晶元件的驱动中必需的电压量，可进行精度良好的像差校正，可用一个光盘装置处理如HD和BD那样虽然使用相同的波长的激光但基板厚度不同的两个光盘，且可重放多层光盘。
本发明的物镜光学元件以第1数值孔径将激光会聚到具有第1基板厚度的第1光信息记录介质上，以比第1数值孔径小的第2数值孔径将上述激光会聚到具有比第1基板厚度厚的第2基板厚度的第2光信息记录介质上，具有折射透镜部和像差补偿元件部。折射透镜部设计成在第2数值孔径的范围内对于第1基板厚度与第2基板厚度之间的特定的基板厚度RMS波面像差量为极小，在第2数值孔径的外侧且在第1数值孔径的内侧的环状区域中对于第1基板厚度RMS波面像差为0.05λ以下。
该0.05λ这样的RMS波面像差量，是在设计成对于第1基板厚度与第2基板厚度之间的特定的基板厚度RMS波面像差量为极小的区域中，在选择了第1基板厚度或第2基板厚度的某一个基板厚度时，即使在使像差补偿元件部工作也未能完全进行像差补偿的残留像差的值作为基准来确定的。上述残留像差起因于像差补偿元件的结构。如果具体地说，则对于应进行像差补偿的波面为平滑的曲线，液晶元件在各区域中进行一定量的电压施加，进行阶梯状的补偿。此外，为了在各区域间施加不同的电压，有必要分离地制作，以免使透明电极导通。在这样的元件的特性方面，难以使RMS波面像差量完全为零，在本发明中定为用非专利文献1能实际确认的值。当然，随着像差补偿元件的制作工艺的改善，存在比目前的值改善的可能性，这从光学特性的观点来看，是好的。但是，这里的0.05λ这样的值满足了作为上述的Marechal条件的λ/14以下，作为互换物镜元件是没有问题。
像差补偿元件部具有用第1透明基板和第2透明基板夹持液晶的结构，至少第1透明基板具备透明电极，透明电极具有能够在第2数值孔径的范围内利用电压施加将由折射透镜部会聚在上述第1光信息记录介质和上述第2光信息记录介质上时的RMS波面像差都补偿为1/4以下的电极配置。
在第1透明基板上形成的透明电极是在与第2数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极，在将激光会聚到第1光信息记录介质上时和将激光会聚到第2光信息记录介质上时对透明电极施加的电压的极性相反。
第1光信息记录介质可以是多层记录介质，在这种情况下，在像差补偿元件部的上述第2透明基板上具备透明电极，该透明电极具有能够在第1数值孔径的范围内利用电压施加将使激光会聚在第1光信息记录介质的基本记录层以外的层上时的RMS波面像差补偿为1/4以下的电极配置。此时，在第1透明基板上形成的透明电极是在与第2数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极，在第2透明基板上形成的透明电极是在与第1数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极。
此外，在第1光信息记录介质是多层记录介质时，可使在像差补偿元件部的第1透明基板上形成的透明电极的电极配置在与第2数值孔径对应的区域的内外如下述那样。即，在与第2数值孔径对应的区域中可具有能够利用电压施加将使激光会聚在第1光信息记录介质的各记录层上时的RMS波面像差和使激光会聚在第2光信息记录介质上时的RMS波面像差补偿为1/4以下的电极配置，在与第2数值孔径的外侧且与第1数值孔径的内侧对应的环状区域中可具有能够利用电压施加将使激光会聚在第1光信息记录介质的各记录层上时的RMS波面像差补偿为1/4以下的电极配置。
按照本发明，可提供下述的物镜光学元件和光学头装置：可使用相同的波长的激光对如HD和BD那样基板厚度不同的两个光盘记录、重放信息，进而对多层光盘也能进行记录、重放。
此外，将本发明的物镜光学元件和光学头装置与现有的技术组合，可实现与DVD或CD的低位互换性。
附图说明
图1是使用了像差校正元件的现有的光学头装置的结构图。
图2是现有的像差校正元件的结构图。
图3是表示现有的像差校正元件的规格的图。
图4是表示向现有的像差校正元件施加的电压与作为目标的基板厚度的对应关系的图。
图5是表示因现有的像差校正元件导致的球面像差减少量的图。
图6是表示用现有的像差校正元件实现的球面像差减少的干涉图案的图。
图7是本发明的单层HD、单层BD和2层/多层BD重放的说明图。
图8是本发明的实施形态1中的物镜光学元件的结构图。
图9是表示本发明的实施形态中的像差校正元件部的规格的图。
图10是表示本发明的实施形态中的移相器的规格的图。
图11是本发明的实施例1中的像差校正元件部的结构图。
图12是本发明的实施例1中的光学头装置的结构图。
图13是本发明的实施例1中的像差校正元件部用的液晶驱动电路的结构图。
图14是本发明的实施例1中的波面像差形状变化和因像差校正元件驱动导致的校正波面像差量的说明图。
图15是现有的物镜光学元件和本发明的BD、HD重放时的球面像差形状的说明图。
图16是现有技术和本发明的BD、HD重放时的球面像差形状的说明图。
图17是本发明的实施例2中的物镜光学元件的结构图。
图18是本发明的实施例2中的像差校正元件部的结构图。
图19是本发明的实施例2中的光学头装置的结构图。
图20是本发明的实施例2中的像差校正元件部用的液晶驱动电路的结构图。
具体实施方式
作为基板厚度不同的两种光盘以HD和BD为例，使用图7说明使用了本发明的物镜光学元件的单层HD重放、单层BD重放、双层/多层BD重放方法。图7(a)是单层HD重放的说明图，图7(b)是单层BD重放的说明图，图7(C)是多层BD重放的说明图。
本发明的物镜光学元件具备物镜31、像差补偿用的液晶元件32、33作为其主要构成要素。物镜31由相当于数值孔径0.65的中央部31a和其外侧的环状的外周部31b构成。将中央部31a设计成对于BD的基板厚度与HD的基板厚度之间所决定的基板厚度消除球面像差。另一方面，外周部31b设计成对于作为BD的基板厚度的0.1mm消除球面像差。液晶元件32是校正因BD的基板厚度与HD的基板厚度的差导致的球面像差的BD/HD互换用的元件，校正物镜31的相当于数值孔径0.65的区域的波面。另一个液晶元件33是校正基于BD多层光盘的层选择的球面像差的BD多层用的元件。在将相当于单层BD的记录层的记录层定为基本记录层时，在对基本记录层以外的层进行记录、重放时，可使用该液晶元件33。另外，在图中将液晶元件32、33作为分离了的2个元件来描述，但没有必要是在结构上分离了的元件。
如图7(a)中所示，在重放单层HD35时，对液晶元件32施加电压，补偿在物镜31中产生的球面像差。此时，在数值孔径比BD小的HD35中不使用透镜外周部31b的光。由于将物镜31的外周部31b设计成与BD的基板厚度一致，所以在HD重放时球面像差非常大，如图示那样，不在HD盘35上成像。这意味着，若就BD/HD互换来说，利用透镜具有的球面像差在HD重放时进行开口限制。
如图7(b)中所示，在重放BD36时，与在HD重放时同样地对液晶元件32施加电压。但是，与HD重放时不同，电压的方向、即交流电压的执行值的符号相反。这是由于，将物镜31的中央部31a设定为适合于BD和HD的中间值，如果将必须校正的基板厚度加上正负的符号来考虑，则在BD和HD中该符号相反。根据该改进，可减少用于液晶驱动的必需的施加电压量。BD重放使用物镜31的全面的光。用液晶元件32对通过透镜中央部的光进行球面像差补偿，由于原来将透镜外周部31b的光设计成与BD基板厚度一致，所以不发生球面像差。因而，在补偿了球面像差的状态下使光照射到BD36上。
如图7(c)中所示，在重放多层BD37时，不仅对液晶元件32进行电压施加，而且对液晶元件33也进行电压施加。通过对液晶元件33进行电压施加，可补偿与多层BD的各层的层间隔对应的球面像差。
通过使用这些本发明的物镜光学元件或光学头装置，与现有的像差补偿元件相比，可进行低电压驱动，且可进行高精度的像差补偿。除了BD/HD的互换外，也可与BD的多层盘相对应。以下使用实施例更详细地说明本发明。
【实施例1】
图8是表示本发明的物镜光学元件的一例的结构图。
在本发明中，将射出的激光被物镜光学元件会聚在盘记录面上之前的路径称为去程，将从记录面反射并入射到检测器上之前的路径称为返程。在非专利文献1中记载了的图1的球面像差校正只校正去程的球面像差。以下说明其原因。
在光盘中，利用入射到记录面上的线偏振光旋转90°的性质，使用偏振光束分离器6简化光学系统。具体地说，在来自半导体激光器4的线偏振光通过偏振光束分离器6被光盘3反射时，线偏振光的方向旋转。所反射的光这次被偏振光束分离器6反射，入射到光检测器11上。这样，通过只配置偏振光束分离器6就可在去程、返程中设定共同部分，可减小光学系统的尺寸。在图1中，由于在通过偏振光束分离器6之前只通过液晶相位补偿元件1，所以未校正在被光盘3反射后、即返程中的球面像差。
为了在去程、返程中都校正球面像差，有必要在偏振光束分离器6与光盘3之间配置该液晶相位补偿元件。这意味着与物镜8同样地在光拾取装置的工作部中配置液晶相位补偿元件。此外，由于液晶相位补偿元件具有液晶只对一个方向的偏振光起作用的光学性质，所以为了使其在去程、返程中都起作用，需要不同的液晶相位补偿元件。在图8中表示满足该条件的光学系统。以下展示图8的细节。
在图8的物镜光学元件中，7是1/4波片，18是折射透镜部，19、20分别是去程、返程像差补偿元件部，21是电致发光开口限制元件，22是CD互换用波长选择移相器，23是DVD互换用波长选择移相器。去程、返程像差补偿元件部19、20只是液晶取向方向相差90°，除此以外的结构等完全相同。利用该结构可补偿光盘入射前后的不同方向的线偏振光这两者的球面像差。关于去程、返程像差补偿元件部，在图9中展示其规格，在图11中展示其详细的结构。后面叙述关于图11中展示的结构。
折射透镜部18的形状设计成，作为在与数值孔径0.65相当的区域的中央部和外周部中将不同的基板厚度定为对象的物镜元件起作用。关于折射透镜部18的外周部，如果着眼于BD、HD，则由于该区域只需要通过数值孔径大的BD的光，所以设计成对于作为BD的基板厚度的0.1mm消除球面像差。另一方面，折射透镜部18的中央部设计成对于BD的基板厚度与HD的基板厚度之间的基板厚度消除球面像差。在本实施例中，设计成对于作为BD与HD的中间的基板厚度0.35mm消除球面像差。另外，由于BD、HD不仅只是单纯地基板厚度不同，而且数值孔径也不同，所以应注意在BD与HD的中间的基板厚度0.35mm处球面像差量并非为一半。但是，即使球面像差量不正好为一半，由于也可用施加电压量来调整由像差补偿元件部得到的补偿量，所以作为标准，设定为作为BD、HD单层盘的基板厚度的中间值的0.35mm。当然，本发明不只限定于上述0.35mm。在现在的规格中，双层类型的BD的基板厚度是0.085mm，HD的基板厚度是0.65mm。只要是其间的基板厚度区域，则在BD、HD重放时可使电压的方向相反。希望与分别使用的光盘驱动器的用途相一致地设定基板厚度。如果BD、HD的利用频度是同等程度，则应将基板厚度定为中间值，另一方面，如果BD的利用频度高，则应使设定值靠近BD。
此外，如果只将单一激光波长405nm的BD与HD的互换作为目的，则不需要CD互换用波长选择移相器22、DVD互换用波长选择移相器23，但在本实施例中，为了显示通过附加现有的移相器可简单地不仅进行BD/HD互换而且进行DVD/CD互换而设置了上述两者。由于使移相器具有波长选择性，所以利用某个既定的波长的整数倍的大小的阶梯差。在图10中表示作为移相器必需的相位阶梯差和各自的波长中的光路长度。如从图10可了解的那样，作为在BD/HD中使用的光的波长的405nm的整数倍的阶梯差对波长405nm的光而言，光路长度都是0，而在不同的波长、例如在DVD中使用的660nm的光或CD中使用的785nm的光中可看到具有某个光路长度。因此，通过巧妙地选择405nm的整数倍中的“整数”，设计了不对405nm和660nm的光起作用而只对785nm的光起作用的阶梯差、和不对405nm和785nm的光起作用而只对660nm的光起作用的阶梯差。前者的相位阶梯差是0.405×5nm(＝2.25μm)，后者的相位阶梯差是0.405×4nm(＝1.80μm)。关于这些移相器的图案形状，利用一般的蒸镀法、溅射法形成SiO2膜，经过光刻工序形成了该透明膜。
在本实施例中，为了与BD、HD、DVD、CD这4个不同的开口相对应，使用了电致发光开口限制元件21。利用下面透明电极、电致发光膜、固体电解质膜、上面透明电极形成电致发光开口限制元件21。通过在该上下透明电极间进行电压施加，固体电解质膜内的H+(质子)或阳离子进入电致发光膜内，通过电致发光材料的化学结构变化而着色。此时，通过构图为只在限制开口的区域中有透明电极，只有施加了电压的部位吸收光，不使不需要的光透过，即可起到开口限制的作用。作为开口限制也可使用能以电致发光开口限制元件21以外的机械的动作来控制的开口光阑。开口光阑已使用于照相机等的光学成像元件。
图11是本实施例中的像差校正元件部的结构图，图12是本实施例中的光学头装置的结构图。以下为了使说明变得简单，展示为了校正不同的波面像差而电极结构具有两面像差校正图案的结构例，但应注意，即使是为了校正其它的像差而具有附加了新的像差校正图案的3面以上的不同的像差校正图案的结构，也可同样地构成。
图11(a)是本实施例的像差补偿元件的剖面示意图，图11(b)是BD多层补偿用电极的配置图，图11(c)是BD/HD互换用电极的配置图。如图11(a)中所示，在本实施例的像差补偿元件，在第1基板15与第2基板16之间，在夹着包含衬垫的未图示的密封垫形成的间隙中夹持液晶层17。然后，在该第1基板15上，如图11(b)中所示，形成用于校正第1BD多层光盘的球面像差的呈同心圆状的图案的透明电极SA1、SA2、SA3、SA4。此外，在第2基板16上，如图11(c)中所示，形成用于校正第2BD/HD互换用的因基板厚度差引起的球面像差的呈不同的大小的同心圆状的图案的透明电极SA1’、SA2’、SA3’、SA4’。然后，通过对同心圆电极SA1、SA2、SA3、SA4和SA1’、SA2’、SA3’、SA4’施加所希望的交流电压，可校正球面像差。
利用一般的蒸镀法、溅射法形成作为透明导电膜的铟锡氧化物(ITO)的膜，用光刻工序加工该透明导电膜来形成这些透明电极的图案形状。在本实施例中，使用典型的ITO作为透明导电膜材料，但也可使用近年来作为透明导电膜材料进行了研究的锌锡氧化物(ZnO)等的材料。
图12中是示出光学头装置的结构图。在图12中，3是BD或HD的光盘。像差补偿物镜光学元件24为使图8所示那样的折射透镜部18、像差补偿(去程)19、像差补偿(返程)20、1/4波片7以及未图示的电致发光开口限制元件、CD互换用波长选择移相器、DVD互换用波长选择移相器、传动器一体化而成的结构。该像差补偿物镜光学元件24中装入用于使物镜光学元件高速且高精度地动作的机构，利用传动器的驱动，沿物镜的光轴方向和与光轴垂直的方向(即，光盘的内周方向和外周方向)这两个轴移动，进行从物镜朝向光盘3的光点的位置控制。
从半导体激光器4射出的HD和BD用的光束经准直透镜5、偏振光束分离器(PBS)6、像差补偿物镜光学元件24，照射到光盘3上。由光盘3反射的光束被偏振光束分离器6反射，用全息光学元件分离为RF信号分量和自动聚焦/跟踪伺服信号分量，通过检测用会聚透镜10，用光检测器11作为电信号来检测。电路是用球面像差检测电路2、自动聚焦/跟踪伺服电路12、RF电路13这3个电路构成的，使用自动聚焦/跟踪伺服电路12的输出信号使传动器动作来进行从物镜光学元件24朝向光盘3的光点的位置控制。另一方面，使用球面像差检测电路2的输出信号来进行用于像差补偿物镜光学元件24中包含的像差补偿元件部(去程)19、像差补偿元件部(返程)20的液晶驱动的电压值的设定。在进行了这些伺服动作、球面像差校正之后，从RF电路13输出RF信号14。
在图13中示出像差补偿元件部用的液晶驱动电路的结构例。液晶驱动电路为可分别对在第1基板15上形成的因BD多层光盘产生的球面像差补偿用的图案电极SA1、SA2、SA3、SA4和对在第2基板16上形成的BD/HD互换时产生的球面像差补偿用的图案电极SA1’、SA2’、SA3’、SA4’施加电压的结构。没有必要对BD多层光盘用球面像差补偿电路部和BD/HD互换用球面像差补偿电路部个别地设置电源，使用施加电压调整用的电阻，可进行单一电源的驱动。再者，可自由地设定多层光盘用球面像差补偿电路部和BD/HD互换用球面像差补偿电路部各自的内部的加法电路的权重。
在本实施例中，在数值孔径大且存在于物镜部的外周部的多层光盘用球面像差补偿用的图案电极中，着眼于波面像差的斜率是陡峭的这个情况。即，这意味着必须对物镜外周部施加的电压值的斜率比中央部大。因此，与存在于外周部中央部的BD/HD互换用球面像差补偿用的图案电极相比，调整为内部加法电路的权重变大。由此，可进行精度更高的球面像差校正。在本实施例的BD/HD互换用球面像差补偿用中，必须施加最大±3Vrms的交流电压，在BD多层光盘用球面像差补偿用中，必须施加最大±4Vrms的交流电压。在本实施例中，如图13中所示那样，在BD/HD互换用中，对各同心圆电极区域SA1’、SA2’、SA3’、SA4’分别施加+3Vrms、+1Vrms、-1Vrms、-3Vrms的交流电压。
在图14中表示使用图13的液晶驱动电路对具有BD/HD互换用电极的像差补偿元件进行了电压施加时的波面像差形状的变化。图14(a)是表示像差补偿前的物镜元件部18中的波面像差形状的图，图14(b)是表示像差补偿后的物镜元件部中的波面像差形状的图，图14(c)是表示由液晶补偿元件引起的物镜元件部中的波面像差补偿量的图。在像差补偿前，由于将折射透镜部18的透镜部外周调整为BD基板厚度，所以不发生波面像差，成为平坦状。而由于将透镜部内侧设定为BD/HD基板厚度的中间值，所以发生因基板厚度误差引起的波面像差。之所以在透镜部内侧波面像差的极性(符号)反转，是由于用对透镜的光轴方向的调整(散焦)校正了在光盘中因盘基板厚度误差等发生的球面像差。如果是极微小的球面像差量，则只用该散焦就可校正，但象这次的BD/HD互换那样发生非常大的球面像差时，由于如图14(a)中所示，成为大的波面像差形状，所以在像差补偿前的状态下记录重放变得困难。因此，如果对图11中表示的像差补偿元件的各同心圆电极区域SA1’、SA2’、SA3’、SA4’施加电压，则通过折射透镜部18后的波面像差如图14(b)中所示，可知球面像差作为整体减少了。由于被各自的同心圆电极夹持的液晶只能补偿某个既定的球面像差量，所以如图14(c)中所示，成为阶梯状的像差补偿。
使用图15、图16表示本实施例中的球面像差校正效果。在此，示出作为比本发明的多层光盘的层转换时产生的球面像差更大的值的、BD/HD互换时的因基板厚度差引起的球面像差的补偿效果。
在图15(a)中表示现有物镜光学元件的BD和HD重放时的球面像差形状，在图15(b)中表示本发明的物镜光学元件的BD和HD重放时的球面像差形状。另外，所谓现有物镜光学元件，如果是BD重放用，就是数值孔径是0.85的物镜，如果是HD重放用，就是数值孔径是0.65的物镜。通过将这些物镜与图12的像差补偿物镜光学元件24置换，可比较现有物镜光学元件与作为本发明的像差补偿物镜光学元件的球面像差。另外，在此假定在BD重放时为了进行球面像差补偿对液晶施加的电压的方向为正。
如图15(a)中所示，在用BD专用透镜重放BD的情况和用HD专用透镜重放HD的情况下，由于在哪一种情况下都不发生球面像差，所以波面像差形状呈平坦的状态(表示什么也没有)。另一方面，如果只用本发明中的物镜部重放BD和HD，则如图15(b)的左侧所示，在相当于数值孔径小的HD的区域、即中央部中，在BD、HD哪一种情况下都发生波面像差。另外，由于外周部原来对BD专用而设计的，所以即使只用本发明的物镜部，波面像差形状也成为平坦状。接着，在用BD专用透镜重放了HD的情况和用HD专用透镜重放了BD的情况下，如图15(a)中所示，在哪一种情况下都发生比使用图15(b)左侧的本发明的物镜部时大的球面像差，成为大的起伏的形态的波面像差形状。在本发明中，除了物镜部以外，用像差补偿元件部校正球面像差，如图15(b)的右侧所示，调整成使得在BD和HD中的哪一种情况下都使波面像差形状尽可能变得平坦。这一点可通过在BD重放时对像差补偿元件部的电极施加正的电压、在HD重放时施加负的电压来实现。
其次，在对各自的专用透镜中使用了附加的像差校正元件的情况下，进行了本发明的像差补偿物镜元件的比较研究。如图16(a)中所示，在用BD专用透镜重放HD的情况和用HD专用透镜重放BD的情况下，在哪一种情况下都利用像差补偿元件使波面像差形状接近于平坦。但是，如果与图16(b)中表示的本发明的像差补偿物镜元件比较，则即使在接近于平坦的状态下，各自的波面像差的大小也变大。这是由于，与本发明中的物镜部相比，在各自的专用透镜中为了与不同的基板厚度相对应必须抵消的球面像差较大。这同时也意味着如果作为对液晶元件施加的电压来考虑，则对具有同样光学性质的液晶元件必须施加的电压量增加。因而，按照本发明，可用比现有技术小的电压驱动量进行精度更高的球面像差补偿。
在本实施例中，准备BD双层盘，首先，为了重放从光入射侧看深的一侧(基板一侧)的层，在BD重放时对像差补偿元件部施加最大4Vrms(AC)，在透镜单体中可将按最大值有1.5λ的波面像差补偿到1/4以下、即最多100mλ。再者，为了重放从光入射侧看接近观察者一侧的层，使图13中的工作开关导通，在对BD多层用像差补偿元件部也进行了电压施加时，可将按RMS波面像差量有400mλ的波面像差补偿到1/4以下、即最多75mλ。此外，准备HD单层盘，为了进行重放，在BD/HD重放时对像差补偿元件部施加-2Vrms(AC)，在透镜单体中可将按最大值有1.0λ的波面像差补偿到1/4以下、即最多70mλ(此时使工作开关断开)。
另外，也可通过增大液晶层的厚度或增大施加电压的抵消来增大减少量，再者，通过使图案电极变得更细，可成为精度更良好的、换言之比0.2λ小的波面像差量。此外，对于层数比两层多的多层盘，通过附加具有可赋予与该层间对应的电压施加量那样的多个电平输出的电路，并用开关选择多个电平输出，可进行对应。
【实施例2】
下面，参照图17到图20说明本发明的实施例2。
图17是表示本发明的物镜光学元件的另一例的结构图。如果该物镜光学元件与图8中表示的结构比较，则在下述的方面不同：物镜部分离为组合物镜部1(25)和组合物镜部2(26)，作为夹持BD多层校正和BD/HD互换用一体化电极配置像差补偿元件部(去程)27、BD多层校正和BD/HD互换用一体化电极配置像差补偿元件部(返程)28、1/4波片7的夹层结构，是一体化透镜。
在图8的例子中，为分别用透镜托架固定物镜部和像差补偿元件部、1/4波片的形状，但在本实施例中，将上述元件作为1个透镜单元来制作。其顺序如下所示。首先，准备将多个BD多层校正和BD/HD互换用一体化电极配置像差补偿元件部(去程)27、BD多层校正和BD/HD互换用一体化电极配置像差补偿元件部(返程)28排列成平面状而成的结构。接着，在与28的表面接触的玻璃板上用塑料模塑(射出成型)集中地制作多个组合物镜部2(26)。射出成型是将利用热熔融了的塑料注入到模子中使其冷却固化制作透镜的方法，在大量生产方面是非常良好的。另一方面，在成为高的数值孔径的透镜中，由于塑料的折射率比光学玻璃小，所以难以使用。但是，在本实施例中，由于用两片组合物镜实现了高数值孔径的透镜，所以可用塑料制作其一部分。其后，分离所制作的多个物镜单元，用紫外线硬化树脂与另外用玻璃成型在基板上制作了的组合物镜部1贴合。这是由于考虑了透镜的位置重合(调整)。
图18(a)(b)表示像差补偿元件的结构。图18(a)表示像差补偿元件的剖面图。图18(b)是BD多层补偿和BD/HD互换用一体化电极的配置图。如果与图11中表示的例子比较，则本实施例在第1基板15上形成把用于校正BD多层光盘的球面像差的同心圆状的图案与用于校正BD/HD互换用的因基板厚度差引起的球面像差的同心圆状的图案一体化了的透明电极。在本实施例中，将叠合的同心圆状的图案中太窄的区域的部分除外，简化了电极图案。由此，虽然与实施例1相比像差补偿精度有些变差，但通过减少图案电极的数目，若作为像差补偿元件部单体来考虑，则生产时的成品率提高了。这是由于，在实施例1中第1基板15与第2基板16的位置重合非常重要，但在本实施例中，没有必要考虑该情况。在本实施例中，通过对各自的区域施加图18中表示的那样的SA1、SA2、SA3、SA4和sa1、sa2、sa3、sa4、sa5的电压，可校正球面像差。在此，新使用的电压sa1、sa2、sa3、sa4、sa5可使用在实施例1中使用了的电压SA1’、SA2’、SA3’、SA4’如下式(1)那样来记述。
sa1＝SA1+SA1’
sa2＝SA1+SA2’
sa3＝SA2+SA3’...(1)
sa4＝SA3+SA4’
sa5＝SA4+SA4’
在图19中示出本实施例的光拾取装置。该光拾取装置与图12的结构比较，如图17中表示的那样，物镜光学元件24的结构不同，但由于其它的元件的结构是相同的，所以省略详细的说明。此外，在图20中表示本实施例中的像差补偿元件部用的液晶驱动电路的结构图。该液晶驱动电路的特征在于：新附加了多个加法电路以满足上式(1)。
在本实施例中，准备BD双层盘，首先，为了重放从光入射侧看深的一侧(基板一侧)的层，对像差补偿元件部施加最大3Vrms(AC)，在透镜单体中可将按最大值有1.5λ的波面像差补偿到1/4以下、即最大100mλ。再者，为了重放从光入射侧看接近观察者一侧的层，对像差补偿元件部施加4Vrms(AC)，在使图20中的工作开关导通对BD多层用像差补偿元件部也进行了电压施加时，可将按RMS波面像差量有400mλ的波面像差补偿到1/4以下、即最多100mλ。此外，准备HD单层盘，为了进行重放，对像差补偿元件部施加-2Vrms(AC)，在透镜单体中可将按最大值有1.0λ的波面像差补偿到1/4以下、即最多70mλ(此时使工作开关断开)。
另外，本发明不限定于上述实施例，在实施阶段中在不脱离其要旨的范围内可对构成要素进行变形，加以具体化。此外，通过适当地组合上述实施例并从在此公开的多个构成要素中选择适当的组合，可形成各种各样的发明。此外，也可从上述实施例中表示的全部构成要素中适当地删除几个构成要素来实施。

Claims (18)

1.一种物镜光学元件，其中以第1数值孔径将激光会聚到具有第1基板厚度的第1光信息记录介质上，以比上述第1数值孔径小的第2数值孔径将上述激光会聚到具有比上述第1基板厚度厚的第2基板厚度的第2光信息记录介质上，其特征在于：
具有折射透镜部和像差补偿元件部，
上述折射透镜部设计成在上述第2数值孔径的范围内对于上述第1基板厚度与上述第2基板厚度之间的特定的基板厚度RMS波面像差量为极小，在上述第2数值孔径的外侧且在上述第1数值孔径的内侧的环状区域中对于上述第1基板厚度RMS波面像差为0.05λ以下，其中，RMS波面像差是理想波面与实际的波面的标准偏差，
上述像差补偿元件部具有用第1透明基板和第2透明基板夹持液晶的结构，至少上述第1透明基板具备透明电极，上述透明电极具有能够在上述第2数值孔径的范围内利用电压施加将由上述折射透镜部会聚在上述第1光信息记录介质和上述第2光信息记录介质上时的RMS波面像差都补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置。
2.如权利要求1中所述的物镜光学元件，其特征在于：
在上述第1透明基板上形成的透明电极是在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极。
3.如权利要求1中所述的物镜光学元件，其特征在于：
在将上述激光会聚到上述第1光信息记录介质上时和将上述激光会聚到上述第2光信息记录介质上时对上述透明电极施加的电压的极性相反。
4.如权利要求1中所述的物镜光学元件，其特征在于：
上述特定的基板厚度d的范围是：85μm＜d＜600μm。
5.如权利要求1中所述的物镜光学元件，其特征在于：
上述第1光信息记录介质是多层记录介质，上述像差补偿元件部的上述第2透明基板具备透明电极，该透明电极具有能够在上述第1数值孔径的范围内利用电压施加将使上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层以外的层上时的RMS波面像差补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置。
6.如权利要求5中所述的物镜光学元件，其特征在于：
在上述第1透明基板上形成的透明电极是在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极，在上述第2透明基板上形成的透明电极是在与上述第1数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极。
7.如权利要求5中所述的物镜光学元件，其特征在于：
在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层上时对在上述第1透明基板上形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层以外的层上时对在上述第1透明基板上形成的透明电极和在上述第2透明基板上形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第2光信息记录介质上时对在上述第1透明基板上形成的透明电极施加电压。
8.如权利要求1中所述的物镜光学元件，其特征在于：
上述第1光信息记录介质是多层记录介质，在上述像差补偿元件部的上述第1透明基板上形成的透明电极在与上述第2数值孔径对应的区域中具有能够利用电压施加将使上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的各记录层上时的RMS波面像差和使上述激光会聚在上述第2光信息记录介质上时的RMS波面像差补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置，在与上述第2数值孔径的外侧且与上述第1数值孔径的内侧对应的环状区域中具有能够利用电压施加将使上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的各记录层上时的RMS波面像差补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置。
9.如权利要求8中所述的物镜光学元件，其特征在于：
在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层上时对在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层以外的层上时对在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的透明电极和在上述环状区域中形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第2光信息记录介质上时对在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的透明电极施加电压。
10.一种光学头装置，具备：射出激光的激光光源、会聚上述激光并进行球面像差校正的物镜光学元件和控制上述物镜光学元件中的球面像差校正量的控制部，利用上述物镜光学元件以第1数值孔径将激光会聚到具有第1基板厚度的第1光信息记录介质上，以比上述第1数值孔径小的第2数值孔径将上述激光会聚到具有比上述第1基板厚度厚的第2基板厚度的第2光信息记录介质上以进行记录重放，其特征在于：
上述物镜光学元件具有折射透镜部和像差补偿元件部，
上述折射透镜部设计成在上述第2数值孔径的范围内对于上述第1基板厚度与上述第2基板厚度之间的特定的基板厚度RMS波面像差量为极小，在上述第2数值孔径的外侧且在上述第1数值孔径的内侧的环状区域中对于上述第1基板厚度RMS波面像差为0.05λ以下，其中，RMS波面像差是理想波面与实际的波面的标准偏差，
上述像差补偿元件部具有用第1透明基板和第2透明基板夹持液晶的结构，至少上述第1透明基板具备透明电极，上述透明电极具有能够在上述第2数值孔径的范围内利用电压施加将由上述折射透镜部会聚在上述第1光信息记录介质和上述第2光信息记录介质上时的RMS波面像差都补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置。
11.如权利要求10中所述的光学头装置，其特征在于：
在上述第1透明基板上形成的透明电极是在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极。
12.如权利要求10中所述的光学头装置，其特征在于：
在将上述激光会聚到上述第1光信息记录介质上时和将上述激光会聚到上述第2光信息记录介质上时对上述透明电极施加的电压的极性相反。
13.如权利要求10中所述的光学头装置，其特征在于：
上述特定的基板厚度d的范围是：85μm＜d＜600μm。
14.如权利要求10中所述的光学头装置，其特征在于：
上述第1光信息记录介质是多层记录介质，上述像差补偿元件部的上述第2透明基板具备透明电极，该透明电极具有能够在上述第1数值孔径的范围内利用电压施加将使上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层以外的层上时的RMS波面像差补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置。
15.如权利要求14中所述的光学头装置，其特征在于：
在上述第1透明基板上形成的透明电极是在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极，在上述第2透明基板上形成的透明电极是在与上述第1数值孔径对应的区域中形成的同心圆状的图案电极。
16.如权利要求14中所述的光学头装置，其特征在于：
在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层上时对在上述第1透明基板上形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层以外的层上时对在上述第1透明基板上形成的透明电极和在上述第2透明基板上形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第2光信息记录介质上时对在上述第1透明基板上形成的透明电极施加电压。
17.如权利要求10中所述的光学头装置，其特征在于：
上述第1光信息记录介质是多层记录介质，在上述像差补偿元件部的上述第1透明基板上形成的透明电极在与上述第2数值孔径对应的区域中具有能够利用电压施加将使上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的各记录层上时的RMS波面像差和使上述激光会聚在上述第2光信息记录介质上时的RMS波面像差补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置，在与上述第2数值孔径的外侧且与上述第1数值孔径的内侧对应的环状区域中具有能够利用电压施加将使上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的各记录层上时的RMS波面像差补偿为该RMS波面像差的1/4以下的电极配置。
18.如权利要求17中所述的光学头装置，其特征在于：
在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层上时对在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第1光信息记录介质的基本记录层以外的层上时对在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的透明电极和在上述环状区域中形成的透明电极施加电压，在将上述激光会聚在上述第2光信息记录介质上时对在与上述第2数值孔径对应的区域中形成的透明电极施加电压。
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