JP2005190615A - 光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源の波長が変動しても集光性能の劣化が少なく、かつＣＤ用またはＤＶＤ用も含む互換光学系として用いる場合にも従来に比して収差劣化を低減できる光ピックアップ装置を提供すること。
【解決手段】 波長λ_１、λ_２の光束を発する第１、第２の光源１ａ、１ｂ、第１、第２のビームスプリッタ２、３、コリメータ４、絞り５、球面収差補正素子６、波長λ_１の光束に生ずる収差を位相を補正して低減するが波長λ_２の光束については位相を変えない位相補正素子７、対物レンズ８、情報記録面９ａを有する第１の光ディスク９、情報記録面１０ａを有する第２の光ディスク１０、受光素子１１を含むように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ディスク、光磁気ディスク、光メモリカード等の光記録媒体に情報を記録し、または、光記録媒体に記録された情報を再生するための光ピックアップ装置に関する。

従来、ＣＤやＤＶＤ等で知られる光ディスクは、音楽情報、映像情報等の保存、コンピュータから出力されるデータの記録等に広く使われている。そして、近年の高度情報化の進展にともない、光ディスクの大容量化、高密度化の要求が益々強まっている。

光ディスクへの記録の高密度化を達成するためには、対物レンズを介して集光される光線のスポットの径（以下、スポット径という。）を小さくする必要がある。一般に、このスポット径は、使用する光の波長（以下、使用波長という。）に比例し、光学系の開口数（ＮＡ）に反比例することが知られており、上記の高密度化のためには、使用波長を短くするか、光学系の開口数を大きくすればよい。ＣＤからＤＶＤへの高密度化は、波長を、約７８０ｎｍから約６５０ｎｍに短くすると共に、光学系の開口数を、０．４５から０．６０または０．６５に増大することで実現されている。更に高密度化するために、光源に４４０ｎｍより短い波長の光を用い、開口数を０．８０以上に大きくする光ピックアップ光学系が検討されている。

ここで、上記のような短波長化、高開口数化を実現するには、光ピックアップ光学系の対物レンズの集光性能が、波長変動によって劣化することが大きな問題となる。この現象は、光学系に用いる光学材料の屈折率が波長によって異なること、すなわち分散があることから生ずる。用いる光源からの光の波長が、常に一定であれば集光性能は劣化しないが、出力により波長が変動することが知られており、例えば、低出力でトラッキングまたはフォーカシングを行い、所定の位置で書き込みのために高出力にした際、波長が変動して適切な集光位置に書き込みができなくなる。

このような問題を解決すべく、光学系の中に、凹レンズと凸レンズからなる色収差補正用光学素子を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、光源の波長に比例して位相差を与える位相構造を有する位相補正素子を用いて、波長変動に対して集光性能の変動の少ない光学系を実現しようとする技術も提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
特開２０００−１９３８８号公報 ＩＳＯＭ／ＯＤＳ ２００２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ｐｐ３９５−３９７

しかし、このような特許文献１に開示された従来の光ピックアップ装置では、対物レンズとは別に新たに二枚のレンズ（一群）を必要とし、光学系がコンパクト化できない問題があった。

また、非特許文献１に開示された技術では、上記の使用波長が一種類の光ピックアップ装置に対しては有効であるが、使用波長が複数の所謂互換光学系として用いることはできない問題があった。これは、例えば、使用波長が６５０ｎｍ付近のＤＶＤと、使用波長が４０５ｎｍ付近の光ディスクを同一の光学系で使用しようとした場合、一方の使用波長で波長に比例する位相補正機能を設けると、他方の使用波長では波長に比例する位相補正機能を実現できないことによる。この技術では、むしろ上記の他方の使用波長で、収差が増大してしまうことになる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、光源の波長が変動しても集光性能の劣化が少なく、かつＣＤ用またはＤＶＤ用も含む互換光学系として用いる場合にも従来に比して収差劣化を低減できる光ピックアップ装置を提供する。

本発明の光ピックアップ装置は、複数波長の光束を発する光源によって発せられる各波長の前記光束を個別に情報記録面に集光させ、情報の記録または再生を行うための光ピックアップ装置において、前記光源によって発せられる、第１の波長λ_１および第１の偏光方向を有する光束に対しては、位相補正を行い、前記第１の波長λ_１と異なる第２の波長λ_２、および前記第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を有する光束に対しては、位相補正を行わない位相補正素子を備えた構成を有している。

この構成により、独立して特定の波長の光束に対して位相補正を行うことができるため、光源の波長が変動しても集光性能の劣化が少なく、かつＣＤ用またはＤＶＤ用も含む互換光学系として用いる場合にも従来に比して収差劣化を低減できる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項１において、前記位相補正素子が、前記第１の波長λ_１および前記第１の偏光方向を有する光束に対して、λ_１・（０．９〜１．１）の整数倍の位相差を生じさせる構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加え、位相補正素子が、λ_１・（０．９〜１．１）の整数倍の位相差を生じさせるため、位相補正量または位相補正感度を調整できる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項１または２において、前記位相補正素子が、複屈折性材料層に等方性材料層を積層した構成を有している。

この構成により、請求項１または２の効果に加え、位相補正素子が、複屈折性材料層に等方性材料層を積層した構成を有するため、偏光方向を調節することで独立して特定の波長の光束に対して位相補正を行うことができる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項３において、前記複屈折性材料層が、前記光ピックアップ装置の光学系の光軸を中心とする同心円状の段差部を有し、前記等方性材料層は、前記複屈折性材料層の段差部に隙間なく接触するように積層された構成を有している。

この構成により、請求項３の効果に加え、複屈折性材料層が、光ピックアップ装置の光学系の光軸を中心とする同心円状の段差部を有するため段差を調節することで位相補正量や位相補正の感度を変えることができる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項３または４において、前記第２の波長λ_２に対する、前記複屈折性材料層の常光屈折率n_ｏ２と異常光屈折率n_ｅ２とが異なるとき、前記等方性材料層の屈折率n_ｓ２が、前記常光屈折率n_ｏ２または前記異常光屈折率n_ｅ２にほぼ等しい構成を有している。

この構成により、請求項３または４の効果に加え、等方性材料層の屈折率を、常光屈折率または異常光屈折率にほぼ等しくするため、光束の偏光方向を選択する自由度を増やすことができる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項３から５のいずれか１項において、前記第１の波長λ_１と異なる第３の波長λ_３に対する、前記複屈折性材料層の常光屈折率n_ｏ３と異常光屈折率n_ｅ３とが異なるとき、前記複屈折性材料層は、λ_３/（n_ｅ３−n_ｓ３）若しくはλ_３/（n_ｏ３−n_ｓ３）、またはそれらの整数倍の、前記光軸の方向の段差であって、前記光軸を中心とする同心円状に複数形成されたものを有する構成を有している。

この構成により、請求項３から５のいずれか１項の効果に加え、複屈折性材料層の段差を１波長分の光路差またはその整数倍としたため、波長が変動した際に位相補正機能を発揮できる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項３から６のいずれか１項において、前記段差の数が、５から１０のいずれかである構成を有している。

この構成により、請求項３から６のいずれか１項の効果に加え、段差の数を５から１０のいずれかとしたため、透過率の低下を回避し、適切な位相補正機能を発揮できる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項３から７のいずれか１項において、前記複屈折性材料層が、高分子材料を用いて形成されている構成を有している。

この構成により、請求項３から７のいずれか１項の効果に加え、複屈折性材料層が、高分子材料を用いて形成されているため、製作が容易にできる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項８において、前記高分子材料が、液晶である構成を有している。

この構成により、請求項８の効果に加え、高分子材料が、液晶でできているため、電圧を印加することによって屈折率を調節できる光ピックアップ装置を実現できる。

また、本発明の光ピックアップ装置は、請求項１から９のいずれか１項において、前記第３の波長λ_３が、４２０ｎｍ以下である構成を有している。

この構成により、請求項１から９のいずれか１項の効果に加え、第３の波長λ_３を４２０ｎｍ以下としたため、例えば、波長約４０５ｎｍの光束に対して確実に位相補正機能を実現できる光ピックアップ装置を実現できる。

本発明は、独立して特定の波長の光束に対して位相補正を行うことができるようにしたため、光源の波長が変動しても集光性能の劣化が少なく、かつＣＤ用またはＤＶＤ用も含む互換光学系として用いる場合にも従来に比して収差劣化を低減できる光ピックアップ装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る光ピックアップ装置の概念的な構成を示す図である。光ピックアップ装置は、波長λ_１の光束を発する第１の光源１ａ、波長λ_２の光束を発する第２の光源１ｂ、第１のビームスプリッタ２、第２のビームスプリッタ３、コリメータ４、絞り５、球面収差補正素子６、位相補正素子７、対物レンズ８、第１の光ディスク９（９aは光ディスク９の情報記録面）、第２の光ディスク１０（１０aは光ディスク１０の情報記録面）、受光素子１１を含むように構成される。なお、図１において符号１２は光軸を示す。

第１の光源１ａによって発せられた光束は、第１のビームスプリッタ２を透過し、第２のビームスプリッタ３、コリメータ４、絞り５、球面収差補正素子６、位相補正素子７、対物レンズ８を順に透過し、第１の光ディスク９の情報記録面９ａに集光する。第２の光源１ｂによって発せられた光束は、第１のビームスプリッタ２で反射され、第２のビームスプリッタ３、コリメータ４、絞り５、球面収差補正素子６、位相補正素子７、対物レンズ８を順に透過し、第２の光ディスク１０の情報記録面１０ａに集光する。

第１の光ディスク９の情報記録面９ａまたは第２の光ディスク１０の情報記録面１０ａに集光した光束は、それぞれ、情報記録面９ａ、または情報記録面１０ａで反射され、対物レンズ８、位相補正素子７、球面収差補正素子６、絞り５、コリメータ４を順に透過し、ビームスプリッタ３で反射されて受光素子１１に入る。

受光素子１１からの出力信号を用いて、第１の光ディスク９の情報記録面９ａ、または、第２の光ディスク１０の情報記録面１０ａに記録された情報の読み取り信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号が得られるようになっている。なお、光ピックアップ装置には、上記フォーカスエラー信号に基づいて、レンズを光軸方向に移動する機構（フォーカスサーボ）、及び上記トラッキングエラー信号に基づいて、レンズを光軸にほぼ垂直の方向に移動する機構（トラッキングサーボ）が含まれるが、図１に示す構成では省略されている。

第１の光源１ａは、例えば、半導体レーザで構成され、４０５ｎｍ近傍の波長で発散光束を直線偏光で出射するようになっている。同様に、第２の光源１ｂは、例えば、半導体レーザで構成され、６５５ｎｍ近傍の波長で発散光束を直線偏光で出射するようになっている。ここで、第１の光源１ａからの光束の変更方向と、第２の光源１ｂからの光束の偏光方向とは、互いに直交するように第１の光源１ａと第２の光源１ｂとが配置されている（以下第１の光源１ａからの光束の偏光方向を第１の偏光方向、第２の光源１ｂからの光束の偏光方向を第２の偏光方向という。）。

第１のビームスプリッタ２は、第１の光源１ａからの光束を透過させ、第２の光源１ｂからの光束を反射させ、それぞれを同一の光軸上に導く役割を持つ。第２のビームスプリッタ３は、第１の光源１ａおよび第２の光源１ｂからの光束を透過させると共に、第１の光ディスク９の情報記録面９aおよび第２の光ディスク１０の情報記録面１０ａからの反射光束を反射させ、受光素子１１に導く役割を持つ。

コリメータ４は、第１の光源１ａおよび第２の光源１ｂからの光束をほぼ平行光に変換する役割を持つ。

絞り５は、光源１ａおよび光源１ｂからの光束を選択的に開口制限することで開口数ＮＡの設定を行う機能を有する。絞り５を設ける理由は、記録又は再生の際、第１の光ディスク９用の開口数と第２の光ディスク１０用の開口数とが異なる場合、絞り５により開口数を調整するためである。第１の光ディスク９用の開口数と第２の光ディスク１０用の開口数とが同じである場合には絞り５は通常不要である。絞り５には、機械的絞り、光学的絞り等があり、特に限定されないものとする。

球面収差補正素子６は、第２の光源１ｂからの光束を対物レンズ８で屈折させ集光する際に発生する球面収差を補正する機能を有する。これは、対物レンズ８として第１の光源１ａ（波長λａ）に対して、第１の光ディスク９のディスク厚さを考慮して収差補正した設計のレンズを用いた場合、λａとは異なる波長λｂ、第１の光ディスクのディスク厚さとは異なる第２の光ディスク１０のディスク厚さに対しては、球面収差が発生するため、この球面収差を補正するために設けるものである。このような機能を有する素子として、例えば特願２００３−２７６０７６記載の位相補正素子を用いることができる。特願２００３−２７６０７６記載の位相補正素子は、断面形状が鋸波状（鋸波が階段状をしているのでもよい。）であり、平面形状が同心円状である凹凸を有し、特定の波長について位相補正を行わず、その他の波長については位相補正を行うようになっている。

位相補正素子７は、第１の光源１ａからの光束（波長λ_１、第１の偏光方向）に対しては、λ_１の整数倍の位相差を生じさせる機能を有する位相補正素子として作用し、第２の光源１ｂからの光束（波長λ_２、第２の偏光方向）に対しては、位相補正素子として作用しない偏光位相補正素子である。位相補正素子７を通過した後に波長の整数倍の位相差を持つことは、実質的に位相差がないのと等価であるが、本発明の第１の実施の形態では、位相補正の機能を有するものとして表現する。また、位相補正素子として作用しないとは、位相差がゼロの場合であって、波長の整数倍の位相差の場合は含まないものとする。

このような機能を持たせるために、位相補正素子７は、光軸を垂直方向とする複屈折性材料層と等方性材料層とが積層され、この複屈折性材料層は光軸を中心として同心円状の円盤または輪を積層した構造を有し、等方性材料層は複屈折性材料層と密着するように構成されている。したがって、位相補正素子７は、複屈折性材料層と等方性材料層とには、光軸を中心とする動径方向に段差を有する。

また、波長λ_１、第１の偏光方向の光束に対する上記の複屈折性材料層の屈折率をｎ₁₁(λ_１)とし、波長λ_１に対する上記の等方性材料層の屈折率をｎ₂(λ_１)とすると、複屈折性材料層が有する上記の段差は、
λ_１/（ｎ₁₁（λ_１）−ｎ₂(λ_１)）、
の整数倍となるように設定されている。

この様に構成することにより、波長λ_１の光束に対しては、収差変化を与えず、波長がλ_１から僅かにずれた場合、波長のずれに応じて波面形状が変化する。そして、波長のずれに応じた波面形状の変化は、対物レンズの波長変化に伴う色収差を減少する方向に作用するようになっている。ここで、僅かとは、例えば、±１０ｎｍ程度をいう。

さらに、波長λ_２、第２の偏光方向の光束に対する上記の複屈折性材料層の屈折率をｎ₁₂(λ_２)とし、波長λ_２の光束に対する上記の等方性材料層の屈折率をｎ₂(λ_２)とすると、屈折率ｎ₁₂(λ_２)と屈折率ｎ₂(λ_２)とは、
ｎ₁₂（λ_２）＝ｎ₂(λ_２)
を満足する。この様に構成することにより、波長λ_２で第２の偏光方向の光束に対して、段差部を有することによって位相が変化しないようになっている。

対物レンズ８は、レンズの両面が非球面の形状をし、ＮＡが例えば０．８５の単レンズであり、波長λ_１の光線に対して収差が最も小さくなるように設計されている。そして、位相補正素子７を通過した波長λ_１のほぼ平行光は、対物レンズ８によって光ディスク９の情報記録面９ａに集光されるようになっている。また、波長λ_２のほぼ平行光は、対物レンズ８と球面収差補正素子６と組み合わせることによって、第２の光ディスク１０の情報記録面１０ａに集光されるようになっている。

第１の光ディスク９は、波長λ_１の光束を用いた情報の書き込みまたは読み出しに用いるものであり、例えば、０．１ｍｍの保護層厚を有する。また、第２の光ディスク１０は、波長λ_２の光束を用いた情報の書き込みまたは読み出しに用いるものであり、例えば、０．６ｍｍの保護層厚を有する。

受光素子１１は、光ディスクの情報記録面９ａまたは１０aからの反射光を受光し、受光した反射光に基づき、これらの情報記録面９ａまたは１０aに記録された情報に応じた、読み取り信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号の各信号を生成し、外部に出力するようになっている。

上記の本発明の実施の形態に基づく具体的な実施例を以下に説明する。ここで、本実施例に係る光ピックアップ装置の光学配置は、図１に示す上記の光学配置と同様とする。

以下に、コリメータ４、球面収差補正素子６、位相補正素子７、および対物レンズ８の具体的数値構成を示し、位相補正素子７を設けた場合と設けない場合における、波長λ_１からの波長変動に対する波面収差の変動等について説明する。

表１に、使用する光源の中心波長λ、コリメータ４の焦点距離ｆ、レンズ材料の屈折率ｎの一例を示す。

ここで、コリメータ４の焦点距離ｆの単位は、ｍｍである。また、コリメータ４の材料をガラスとし、レンズ中心厚を１．５０ｍｍとした。

コリメータ４の非球面形状は、以下の式（１）基づいて決定されるものとした。

ここで、記号ｉは非球面次数であり、２、４、６、８、１０のいずれかをとる。また、記号ｊは面番号であり、光源側の面を面番号１、対物レンズ側の面を面番号２とした。さらに、記号ｈは光軸からの距離（以下、高さという。）であり、記号ｚ_ｊは第ｊ面非球面の頂点の接平面（一般に、光軸近傍で非球面に接し、光軸に垂直な面。）からその非球面上の高さｈの点までの光軸方向の距離であり、ｒ_ｊ、ｋ_ｊ、ａ_ｉ，ｊ、およびｊは第ｊ面の決定に係る各係数である。

表２に上記の式（１）で用いる各係数の値を示す。

本実施例では、光源１ａ（波長λ_１＝４０５ｎｍ）からコリメータ４までの光軸上の距離を１６．７４ｍｍとし、光源１ｂ（波長λ_２＝６５５ｎｍ）からコリメータ４までの光軸上の距離を１７．２１ｍｍとした。また、光源１ａまたは光源１ｂとコリメータ４の間に、硝材ＢＫ７、厚さ２．００ｍｍのビームスプリッタ２と、硝材ＢＫ７、厚さ２．００ｍｍのビームスプリッタ３を配置した。

次に、本実施例の球面収差補正素子６の構造について説明する。

図２は、光軸１２を含む面を断面とする球面収差補正素子６の断面図である。この球面収差補正素子６は、複屈折性材料層２１に等方性材料層２２を積層してなり、複屈折性材料層２１は光軸を中心とする同心円状の段差部を有し、等方性材料層２２が、対物レンズ８側の面に隙間なく接触するように構成される。具体的には、複屈折性材料層２１に等方性材料層２２を充填する等によって構成される。

そして、波長λ_１、第１の偏光方向の光束に対する複屈折性材料層２１の屈折率をｎ₁₁（λ_１）、波長λ_１の光束に対する等方性材料層２２の屈折率をｎ₂(λ_１)とし、波長λ_２、第２の偏光方向の光束に対する複屈折性材料層２１の屈折率をｎ₁₂(λ_２)とし、波長λ_２の光束に対する等方性材料層２２の屈折率をｎ₂(λ_２)とすると、ｎ₁₁（λ_１）とｎ₂(λ_１)とは、
ｎ₁₁（λ_１）＝ｎ₂(λ_１)
の関係を満足し、屈折率ｎ₁₂(λ_２)と屈折率ｎ₂(λ_２)とは、
ｎ₁₂（λ_２）≠ｎ₂(λ_２)
の関係を満足するように構成される。

このように構成することによって、球面収差補正素子６を通過する波長λ_１、第１の偏光方向の光束に対しては、位相変化は生ぜず、波長λ_２、第２の偏光方向の光束に対しては位相変化を与えることができる。そして、このような関係を満たす屈折率ｎ₁₂(λ_２)および屈折率ｎ₂(λ_２)を調節することによって、波長λ_２の光束が光学系を通過する際の球面収差を補正できるようになる。

球面収差補正素子６の具体的な形状について、図２を用いて説明する。

図２において、符号２３は光源側の面を示し、符号２４は対物レンズ側の面を示し、それぞれの面を平面とした。また、段差部δ_ｋ（ｋ＝１、２、...、５４）は、それぞれ光軸１２を中心として同心円状に形成され、符号φ_i（i＝１、２、...、５４）は、段差部δ_ｋ（ｋ＝１、２、...、５４）の直径である。ここで、同心円状の各段差部の段差を形成する側面は、光軸に平行な円筒形状をなす。

また、符号Ｓ_ｋ（ｋ＝１、２、...５４）は、隣り合う段差部δ_ｋ−１と段差部δ_ｋとで挟まれた輪状の領域（以下、輪帯部という。）を示す。なお、輪帯部Ｓ_１は、段差部δ_１によって囲まれた円状部であり、輪帯部Ｓ_５5は、段差部δ_５4より外側の輪帯部であり、Ｓ_１からＳ_５5まですべて光軸に垂直な平面とする。

球面収差補正素子６は、上記のように光軸方向の光路長が異なる同心円状の領域を設けることによって、波長λ_２の光束に対して位相補正がなされるようになっている。そして、球面収差補正素子６の位相補正量は、対物レンズ８によって、波長λ_２の光束に対して生ずる球面収差を低減または除去するように設計される。

表３は、輪帯部Ｓ_１の光軸方向の座標を０とし、対物レンズ８の方向（面２４の側）を正としたときの輪帯部Ｓ_ｋ（ｋ＝２、３、...、５５）の光軸方向の座標と、輪帯部の直径φ_ｋ（ｋ＝１，２、...、５４）の数値を示す表である。

球面収差補正素子６に用いた材料の屈折率を表４に示す。

表４から、波長４０５ｎｍ、第１の偏光方向の光束に対しては、複屈折性材料層２１と等方性材料層２２とで屈折率の差がないため、段差を設けたことによって位相のずれを生じないことがわかる。一方、波長６５５ｎｍ、第２の偏光方向（第１の偏光方向とは直交）の光束に対しては、複屈折性材料層２１と等方性材料層２２とで屈折率の差を持つため、段差を設けたことによって位相のずれを生じさせることができ、この位相のずれを利用して、波長６５５ｎｍ、第２の偏光方向の光束に対して球面収差の補正を行うものである。

次に、位相補正素子７の構造について説明する。図３は、光軸１２を含む面を断面とする位相補正素子７の断面図である。

位相補正素子７は、複屈折性材料層３１に等方性材料層３２を積層してなり、複屈折性材料層３１は光軸を中心とする同心円状の段差部を有し、等方性材料層３２が、対物レンズ８側の面に隙間なく接触するように構成される。具体的には、複屈折性材料層３１に等方性材料層３２を充填する等によって構成される。

そして、波長λ_１、第１の偏光方向の光束に対する複屈折性材料層３１の屈折率をｎ₁₁（λ_１）、長λ_１の光束に対する等方性材料層３２の屈折率をｎ₂(λ_１)とすると、複屈折性材料層３１が有する上記の段差は、
λ_１/（ｎ₁₁（λ_１）−ｎ₂(λ_１)）、
の整数倍となるように設定されている。

この様に構成することにより、波長λ_１の光束に対しては、収差変化を与えず、波長がλ_１から僅かにずれた場合、波長のずれに応じて波面形状が変化する。そして、波長のずれに応じた波面形状の変化は、対物レンズの波長変化に伴う色収差を減少する方向に作用するようになっている。ここで、僅かとは、例えば、±１０ｎｍ程度をいう。

さらに、波長λ_２、第２の偏光方向の光束に対する複屈折性材料層３１の屈折率をｎ₁₂(λ_２)とし、波長λ_２の光束に対する等方性材料層３２の屈折率をｎ₂(λ_２)とすると、ｎ_1２（λ_２）とｎ₂(λ_２)とは、
ｎ₁₂（λ_２）＝ｎ₂(λ_２)
の関係を満足する。この様に構成することにより、波長λ_２で第２の偏光方向の光束に対して、段差部を有することによって位相が変化しないようになっている。

位相補正素子７の具体的な形状について、図３を用いて説明する。

図３において、符号３３は光源側の面を示し、符号３４は対物レンズ側の面を示し、それぞれの面を平面とした。また、段差部δ_ｋ（ｋ＝１、２、...、７）は、それぞれ光軸１２を中心として同心円状に形成され、符号φ_i（i＝１、２、...、５４）は、段差部δ_ｋ（ｋ＝１、２、...、７）の直径である。ここで、同心円状の各段差部の段差を形成する側面は、光軸に平行な円筒形状をなす。

また、符号Ｓ_ｋ（ｋ＝１、２、...７）は、隣り合う段差部δ_ｋ−１と段差部δ_ｋとで挟まれた輪帯部を示す。なお、輪帯部Ｓ_１は、段差部δ_１によって囲まれた円状部であり、輪帯部Ｓ_８は、段差部δ_７より外側の輪帯部であり、輪帯部Ｓ_１〜Ｓ_８のぞれぞれの面は、すべて光軸に垂直な平面とする。

位相補正素子７は、上記のように光軸方向の光路長が異なる同心円状の領域を設けることによって、波長λ_１の光束に対して位相補正がなされるようになっている。このように、光軸方向にそれぞれ位置の異なる輪帯状の平面を構成することによって、位相補正素子７に位相補正機能を持たせ、この位相補正機能により、波長λ_１の光束が波長λ_１から僅かに変化した場合に発生する収差の低減を行っている。

表５に、輪帯部Ｓ_１の光軸方向の座標を０とし、対物レンズ８の方向（面３４の方向）を正としたときの輪帯部Ｓ_ｋ（ｋ＝２、３、...、８）の光軸方向の座標と、輪帯部の直径φ_ｋ（ｋ＝１，２、...、７）の数値を示す表である。

位相補正素子７に用いた材料の屈折率を表６に示す。

表６から、波長４０５ｎｍ、第１の偏光方向の光束に対しては、複屈折性材料層３１と等方性材料層３２とで屈折率の差があるため、段差を設けたことによって位相のずれを生じさせることができることがわかる。ここで、波長λ_１、第１の偏光方向の光束に対する複屈折性材料層３１の屈折率をｎ₁₁(λ_１)（表６では、１．６４１）、波長λ_１の光束に対する等方性材料層３２の屈折率をｎ₂(λ_１)（表６では、１．５６１）とすると、上記の段差は、
λ_１/（ｎ₁₁（λ_１）−ｎ₂(λ_１)）、
の整数倍であり、その値は、
０．４０５／（１．６４１−１．５６１）＝５．０６（μｍ）
の整数倍となる。

以上のように構成することにより、波長λ_１の光束に対しては、収差変化をなくし、波長がλ₁から僅かにずれた場合には段差部において位相の変化が生じ、これが対物レンズ８の波長変化に伴う色収差を減少する方向に作用する。一方、波長６５５ｎｍ、第２の偏光方向（第１の偏光方向とは直交）の光束に対しては、複屈折性材料層３１と等方性材料層３２とで屈折率の差がないため、段差を設けたことによって位相のずれを生じることがない。

次に、対物レンズ８について説明する。表７に、使用する光源１ａ、１ｂの中心波長λ、対物レンズ８の焦点距離ｆ、開口数（ＮＡ）、レンズ材料の屈折率ｎの一例を示す。

ここで、コリメータ４の焦点距離ｆの単位は、ｍｍである。また、コリメータ４の材料をガラスとし、レンズ中心厚を１．５０ｍｍとした。

対物レンズ８の材料は、コリメータ４と同一のガラスとし、レンズ中心厚は１．６０ｍｍとした。開口数（ＮＡ）の設定は、絞り５により行うが、波長４０５ｎｍの光束に対しては、φ２．３０ｍｍのビーム直径となるよう、また、波長６５５ｎｍの光束に対しては、φ１．８１ｍｍのビーム直径となるように設定して、表７記載のＮＡの値を実現している。

対物レンズ８の非球面形状は、式（１）に基づいて決定される。面番号ｊは、光源側の面を面番号１、光ディスク側の面を面番号２とした。

表８に、対物レンズの非球面形状を表す各係数を示す。

このような非球面形状を有する対物レンズ８は、波長４０５ｎｍの光束が、無限系で入射し、光ディスクの保護層厚が０．１ｍｍのものを用いたときに、軸上の収差が最小となるように設定されている。

なお、対物レンズ８は、位相補正素子７から光軸方向１.００ｍｍのところに設置されている。

比較のために、まず位相補正素子７がない場合、すなわち、コリメータ４と対物レンズ８で構成される光学系において、光源の波長変動に対する、光ディスクの情報記録面上の収差を表９に示す。

次に、位相補正素子７を用いた場合の、光源の波長変動に対する、光ディスクの情報記録面上の収差を表１０に示す。

表９と表１０を比較して、主波長が４０５ｎｍの場合、位相補正素子７を用いることでの劣化はなく、また波長が主波長から変動した場合には、そのことにより発生する収差を低減させる方向に作用していることがわかる。また、主波長が４０５ｎｍの場合、本発明の効果は、少なくとも４２０ｎｍ以下の波長に対して奏する。なお、波長６５５ｎｍの光束に対しては、上記のように、位相補正素子７は複屈折性材料層３１と等方性材料層３２とで屈折率差を持たず、何らの位相変化を与えない。

対物レンズ８は、波長４０５ｎｍの光束に対して収差補正をしているため、波長６５５ｎｍの光束に対しては、ＮＡを０．６５として、軸上波面収差ＲＭＳ値で０．８１０λの収差を持つ。しかし、球面収差補正素子６を用いることで、軸上の波面収差（ＲＭＳ値）を０．０２９λまで低減できる。波長６５５ｎｍの光束の偏光方向を波長４０５ｎｍの光束の偏光方向と直交させることによって、球面収差補正素子６の機能は、位相補正素子７の機能に影響を与えない。

なお、上記の実施例では、光源として、波長４０５ｎｍの光源を用いて説明したが、本発明は、この波長の光源に限らない。波長４０５ｎｍの光源の代わりに３９０ｎｍから４３０ｎｍ程度の波長の光源を用いることができる。この場合、光源の主波長をλとして、λの整数倍の位相シフトが生ずるような段差を持つ位相補正素子を用いればよい。

また、ＤＶＤ用光学系との互換性を考慮して、波長６５５ｎｍの光源を用いて実施例を構成したが、代わりに６３０ｎｍから６８０ｎｍの波長を持つ光源でもよい。さらにはＣＤ用の波長７６０ｎｍから８２０ｎｍの光源、または、その両方を持つ光学系として構成してもよい。

また、本実施例に係る光学系は、波長４０５ｎｍと波長６５５ｎｍの両方に用いられる光学系として説明したが、波長４０５ｎｍだけで使用される光学系としてもよい。

また、本実施例に係る光学系は、コリメータ４を用いて所謂無限系の光学系として構成したが、無限系に限らない。コリメータ４を使用しない有限系の光学系としてもよい。

また、対物レンズ８の形状等を波長４０５ｎｍに対して最適化したが、これに限らない。波長６５５ｎｍに対して最適化するのでも、両方の波長に対して最適化するのでもよい。波長６５５ｎｍに対して最適化したレンズを用いるが場合には、球面収差補正素子として４０５ｎｍで生ずる収差を補正するような素子とすればよい。

また、波長４０５ｎｍでの開口数を０．８５として説明したが、これに限らない。開口数は０．６から０．７程度であってもよい。

波長４０５ｎｍでの光ディスクの保護層厚さを０．１ｍｍとしたが、これに限らない。保護層厚さ０．６ｍｍの光ディスクでもよい。

また、球面収差補正素子６を、複屈折性材料層と等方性材料層の二層からなる構成としたが、その両側または片側を等方性の透明材料層で保護する保護層を設けるのでもよい。この複屈折性材料層は、液晶等の高分子材料を用いて形成されるのでもよい。

また、位相補正素子７を、複屈折性材料層と等方性材料層の二層からなる構成としたが、その両側または片側を等方性の透明材料層で保護する保護層を設けるのでもよい。

また、位相補正素子を７つの段差部を持つ構成としたが、７つに限らない。ただ、５つ以下になると収差の補正が困難となり、また１０以上では、透過率の減少が起こるため、５から１０程度の段差部を持つことが好適である。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る光ピックアップ装置は、独立して特定の波長の光束に対して位相補正を行うことができるため、光源の波長が変動しても集光性能の劣化が少なく、かつＣＤ用またはＤＶＤ用も含む互換光学系として用いる場合にも従来に比して収差劣化を低減できる。

また、位相補正素子が、λ_１・（０．９〜１．１）の整数倍の位相差を生じさせるため、位相補正量または位相補正感度を調整できる。

また、位相補正素子が、複屈折性材料層に等方性材料層を積層した構成を有するため、偏光方向を調節することで独立して特定の波長の光束に対して位相補正を行うことができる。

また、複屈折性材料層が、光ピックアップ装置の光学系の光軸を中心とする同心円状の段差部を有するため段差を調節することで位相補正量や位相補正の感度を変えることができる。

また、等方性材料層の屈折率を、常光屈折率または異常光屈折率にほぼ等しくするため、光束の偏光方向を選択する自由度を増やすことができる。

また、複屈折性材料層の段差を１波長分の光路差またはその整数倍としたため、波長が変動した際に位相補正機能を発揮できる。

また、段差の数を５から１０のいずれかとしたため、透過率の低下を回避し、適切な位相補正機能を発揮できる。

また、複屈折性材料層が、高分子材料を用いて形成されているため、製作が容易にできる。

また、高分子材料が、液晶でできているため、電圧を印加することによって屈折率を調節することができる。

また、第３の波長λ_３を４２０ｎｍ以下としたため、波長約４０５ｎｍの光束に対して確実に位相補正機能を実現できる。

本発明にかかる回折素子および光ピックアップ装置は、光源の波長が変動しても集光性能の劣化が少なく、かつＣＤ用またはＤＶＤ用も含む互換光学系として用いる場合にも従来に比して収差劣化を低減できるという効果が有用な、光記録媒体に情報を記録し、または記録された情報を再生するための光ピックアップ装置等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係る光ピックアップ装置の概念的な構成を示す図。 光軸を含む面を断面とする球面収差補正素子の断面図。 光軸を含む面を断面とする位相補正素子の断面図。

符号の説明

１ａ、１ｂ 光源
２、３ ビームスプリッタ
４ コリメータ
５ 絞り
６ 球面収差補正素子
７ 位相補正素子
８ 対物レンズ
９、１０ 光ディスク
９ａ、１０ａ 情報記録面
１１ 受光素子
１２ 光軸
２１、３１ 複屈折性材料層
２２、３２ 等方性材料層
２３、３３ 光源側の平面
２４、３４ 対物レンズ側の平面
δ 段差部
Ｓ 輪帯部
φ 輪帯部の直径

Claims (10)

1. 複数波長の光束を発する光源によって発せられる各波長の前記光束を個別に情報記録面に集光させ、情報の記録または再生を行うための光ピックアップ装置において、前記光源によって発せられる、第１の波長λ_１および第１の偏光方向を有する光束に対しては、位相補正を行い、前記第１の波長λ_１と異なる第２の波長λ_２、および前記第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を有する光束に対しては、位相補正を行わない位相補正素子を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。
2. 前記位相補正素子は、前記第１の波長λ_１および前記第１の偏光方向を有する光束に対して、λ_１・（０．９〜１．１）の整数倍の位相差を生じさせる請求項１に記載の光ピックアップ装置。
3. 前記位相補正素子は、複屈折性材料層に等方性材料層を積層した構成を有する請求項１または２に記載の光ピックアップ装置。
4. 前記複屈折性材料層は、前記光ピックアップ装置の光学系の光軸を中心とする同心円状の段差部を有し、前記等方性材料層は、前記複屈折性材料層の段差部に隙間なく接触するように積層された構成を有する請求項３に記載の光ピックアップ装置。
5. 前記第２の波長λ_２に対する、前記複屈折性材料層の常光屈折率n_ｏ２と異常光屈折率n_ｅ２とが異なるとき、前記等方性材料層の屈折率n_ｓ２が、前記常光屈折率n_ｏ２または前記異常光屈折率n_ｅ２にほぼ等しい請求項３または４に記載の光ピックアップ装置。
6. 前記第１の波長λ_１と異なる第３の波長λ_３に対する、前記複屈折性材料層の常光屈折率n_ｏ３と異常光屈折率n_ｅ３とが異なるとき、前記複屈折性材料層は、λ_３/（n_ｅ３−n_ｓ３）若しくはλ_３/（n_ｏ３−n_ｓ３）、またはそれらの整数倍の、前記光軸の方向の段差であって、前記光軸を中心とする同心円状に複数形成されたものを有する請求項３から５のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
7. 前記段差の数は、５から１０のいずれかである請求項３から６のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
8. 前記複屈折性材料層は、高分子材料を用いて形成されている請求項３から７のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。
9. 前記高分子材料は、液晶である請求項８に記載の光ピックアップ装置。
10. 前記第３の波長λ_３は、４２０ｎｍ以下である請求項１から９のいずれか１項に記載の光ピックアップ装置。

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