JP2005327372A - 光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単一の対物レンズを用いてＨＤとＤＶＤとＣＤの３種の光ディスクの情報の記録および／または再生ができる開口制限素子を備え、光学特性に優れ、小型軽量化に適した光ヘッド装置を提供する。
【解決手段】 波長λ₁、λ₂およびλ₃（λ₁＜λ₂＜λ₃）の光に応じて透過領域を制限する開口制御素子において、中間円形領域Ｄ₁から最内円形領域Ｄ₃を差し引いて得られる第１円環領域αに、波長λ₁、λ₂の入射光を透過し波長λ₃の入射光を透過しない第１多層膜フィルタ１２を形成し、最外円形領域Ｄ₂から中間円形領域Ｄ₁を差し引いて得られる第２円環領域βに、波長λ₂の入射光を透過し波長λ₁、λ₃の入射光を透過しない第２多層膜フィルタ１３を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ヘッド装置に関し、特にタイプの異なる３種類の光記録媒体への情報の記録および／または再生に使用する光ヘッド装置に関する。

従来、各種の光記録媒体（以下、光記録媒体のことを「光ディスク」という）が開発されており、例えば情報記録面の保護用カバーの厚さが１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスクが広く知られている。このＣＤ用の光ディスクには、情報の記録および／または再生するため、光源として波長が７９０ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡ（開口数）が０．４５から０．５までの対物レンズとを備えた光ヘッド装置が用いられている。
一方、ＤＶＤ用光ディスクでは、カバー厚が０．６ｍｍのものが使用されており、光ヘッド装置として、波長が６６０ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡが０．６から０．６５までの対物レンズとを備えたものが用いられている。
さらに、記録情報量を増大させるため、カバー厚が０．６ｍｍの光ディスクが提案されており、この光ディスク用の光ヘッド装置では、光源として波長が４０５ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡが０．６５の対物レンズを備えたものが提案されている。以下、波長が４０５ｎｍ帯の半導体レーザで使用する光ディスクを、特にＨＤ用の光ディスクとよぶ。

ところで、ＣＤ用の光ディスク、ＤＶＤ用の光ディスクおよびＨＤ用の光ディスクでは、カバー厚が異なるため、これらの光ディスク用の光ヘッド装置にあっては、光源として使用する半導体レーザなどの波長が異なると共に、対物レンズのＮＡも異なる。従って、これらの光ディスクを互換的に使用する場合、光ヘッド装置については、いずれか一種類の光ディスクに対して設計された対物レンズを別の光ディスクに用いると、大きな球面収差が発生し、情報の記録および／または再生ができない問題があった。

そこで、この光ヘッド装置にあっては、同一の対物レンズを用いて、カバー厚さの異なる光ディスクの情報の記録および／または再生を行う場合、生じる球面収差を低減するために、種々の方式が提案されている。このような３種の光ディスクに兼用できる光ヘッド装置としては、光軸上に屈折率の異なる光学薄膜が積層された多層膜フィルタが形成され、一方の波長の光は透過し他方の波長の光は反射してＮＡを切り換える開口制限素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、ＤＶＤ用の波長λ₂＝６６０ｎｍの光を透過し、ＣＤ用の波長λ₃＝７９０ｎｍの光を反射する従来の開口制限素子１００の断面図の例を、図７に示す。この開口制限素子１００は、ガラス基板１１０の表面で、ＤＶＤ用の開口数ＮＡ₂＝０．６５の円形領域（Ｄ₂）とＣＤ用の開口数ＮＡ₃＝０．４５の円形領域（Ｄ₃）との差で形成される円環領域（これを「αβ領域」）に、多層膜フィルタ１２０が形成され、波長λ₂の入射光を透過し、波長λ₃の入射光の透過率は３０％以下の開口制限素子となっている。
ここで、開口数ＮＡ₃＝０．４５の最内円形領域（Ｄ₃）と多層膜フィルタ１２０が形成されたαβ領域で、波長λ₂の透過光の位相がそろうように、開口数ＮＡ₃のＤ₃領域には、位相調整膜１３０が形成されている。
特許第２７１３２５７号公報

ところで、上記の開口制限素子をＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクに対応した互換素子として用いる場合には、例えば図８において、
（i）ＤＶＤの開口数ＮＡ₂＝０．６５の円形領域（Ｄ₂）からＨＤの開口数ＮＡ₁＝０．６５の円形領域（Ｄ₁）を差し引いて形成される第２円環領域（これを「β領域」）に、波長λ₂の入射光を透過し、波長λ₁および波長λ₃の入射光を透過しない波長選択性の機能を付加する必要がある。
（ii）また、同様に、ＨＤの開口数ＮＡ₁＝０．６５の円形領域（Ｄ₁）からＣＤの開口数ＮＡ₃＝０．４５の円形領域（Ｄ₃）を差し引いて形成される第１円環領域（これを「α領域」）に、波長λ₁および波長λ₂の入射光を透過し、波長λ₃の入射光を透過しない波長選択性の機能を付加する必要がある。
（iii）また、開口数ＮＡ₃＝０．４５の最内円形領域（Ｄ₃領域）は、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃の入射光を全て透過する機能が必要である。

しかしながら、多層膜フィルタを用いる従来技術の適用では、第１円環領域（α領域）と第２円環領域（β領域）に、それぞれ、分光透過率性能の異なる多層膜を領域分割して成膜する必要があり、極めて複雑なプロセスとなる。特に、第１円環領域（α領域）、第２円環領域（β領域）および最内円形領域（Ｄ₃領域）の３つの領域において、波長λ₂の透過光に位相差が生じないように、また、第１円環領域（α領域）および最内円形領域（Ｄ₃領域）の２つの領域において、波長λ₁の透過光に位相差が生じないように、位相差調整用の深い段差を形成する必要がある。このため、波長λ₁およびλ₂の入射光の透過波面収差の劣化がない、開口制限素子を安定して作製することが困難であった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、単一の対物レンズを用いてＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクの情報の記録および／または再生ができる開口制限素子を備え、光学特性に優れ、小型軽量化に適した光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本発明は、波長λ₁、λ₂およびλ₃（但し、λ₁＜λ₂＜λ₃）の光を出射する光源と、この光源から出射された光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、この対物レンズで集光され前記光記録媒体で反射された前記光を検出する光検出器と、前記光源と前記光記録媒体との間の光路中に配置され前記各波長の光に応じて透過領域を制限する開口制御素子とを備えた光ヘッド装置において、
前記開口制御素子は、これを構成する基板の一方の面上の中央部にある第１円環領域に、第１多層膜フィルタが形成されているとともに、前記第１円環領域に外接する第２円環領域に、第２多層膜フィルタが形成されており、
前記第１多層膜フィルタは、前記波長λ₁および波長λ₂の入射光を透過し前記波長λ₃の入射光を透過せず、
前記第２多層膜フィルタは、前記波長λ₂の入射光を透過し前記波長λ₁および波長λ₃の入射光を透過しないことを特徴とする光ヘッド装置を提供する。

上記構成によれば、波長選択透過機能を有する多層膜フィルタを空間的に分割して形成することにより、３種の異なる波長λ₁、λ₂、λ₃の光を全て透過する開口領域（最内円形領域）と、波長λ₁、λ₂のみを透過する開口領域（第１円環領域）と、波長λ₂のみを透過する開口領域（第２円環領域）を形成することができる。

また、前記開口制御素子は、前記第１円環領域、前記第２円環領域および前記第１円環領域に内接する最内円形領域の３つの領域において、前記波長λ₂の透過光に位相差がなく、また前記第１円環領域および前記最内円形領域の２つの領域において、前記波長λ₁の透過光に位相差がないようにするため、前記３つの領域のうち少なくとも２つの領域に位相差調整用の段差が前記開口制御素子の基板面に形成されている上記の光ヘッド装置を提供する。

上記構成によれば、各領域の透過光の透過波面に位相差が生じないよう位相調整用の段差加工が施されているため、透過波面の劣化が生じない。その結果、対物レンズと一体で用いた場合、入射光を効率よく回折限界まで集光できる。

また、前記開口制御素子は、前記第２円環領域の位相調整用の段差が前記第１円環領域の位相調整用の段差よりも浅く形成されるとともに、前記第２円環領域の表面段差が前記第１円環領域および前記最内円形領域の表面段差よりも高く形成され、
前記第２円環領域の領域を透過する波長λ₂の透過光と前記第１円環領域と前記最内円形領域の各領域を透過する波長λ₂の透過光との位相差が１波長となる上記の光ヘッド装置を提供する。

上記構成によれば、第２円環領域を透過する波長λ₂の透過光の位相と、第１円環領域と最内円形領域の各領域を透過する波長λ₂の透過光との位相差が１波長となるような段差加工とすることにより、形成される位相調整用の段差加工量を少なくし、開口制限素子の安定した作製を可能とする。

また、前記開口制御素子において、波長λ₁の入射光に対して位相差がπ／２の奇数倍となる位相板が一体化されている上記の光ヘッド装置を提供する。

上記構成によれば、ビームスプリッタに偏光性のビームスプリッタを使用することにより、記録および／または再生効率の高い光ヘッド装置が提供できる。

本発明によれば、位相板を一体化して用いることにより、偏光性のビームスプリッタを搭載した光ヘッド装置において、信号光を効率よく光検出器に取り込むことができる。その結果、単一の対物レンズを用いてＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクの情報の記録および／または再生ができる開口制限素子を実現し、光学特性に優れ、小型軽量化に適した光ヘッド装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施態様］
図１は本発明における第１の実施態様に係る開口制限素子５１の断面図、図２は同開口制限素子５１の平面図を示す。
本発明における開口制限素子５１は、透光性基板１１と、第１多層膜フィルタ１２と、第２多層膜フィルタ１３と、位相調整層１４と、反射防止膜１５とを備えており、後述する図４に示すように、対物レンズ６と一体でアクチュエータに搭載して光ヘッド装置１０の一部として用いる。

なお、この対物レンズ６は、図４に示すように、使用波長λ₁＝４０５ｎｍでカバー厚０．６ｍｍのＨＤ用の光ディスク９１に対して、良好な収差となるよう設計された開口数ＮＡ₁＝０．６５のＨＤ用対物レンズである。また、この対物レンズ６は、使用波長λ₂＝６６０ｎｍでカバー厚０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスク９２に開口数ＮＡ₂＝０．６５で用いるとともに、使用波長λ₃＝７９０ｎｍでカバー厚１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスク９３に開口数ＮＡ₃＝０．４５で用いるために、対物レンズ６と一体でアクチュエータに搭載して用いる。
ここで、対物レンズ６は、ＨＤ用、ＤＶＤ用ともに開口数ＮＡ＝０．６５で用いられるが、対物レンズ６の屈折率ｎがｎ（λ₁）＞ｎ（λ₂）と異なる。開口数ＮＡは
ＮＡ＝開口径／（２×ｆ）
ただし、ｆ：レンズ焦点距離
で定義され、ｎ（λ₁）＞ｎ（λ₂）の場合、ｆ（λ₁）＜ｆ（λ₂）となる。
従って、開口径Ｄ＝２×ＮＡ×ｆであるため、ＨＤ用、ＤＶＤ用の開口数ＮＡは等しいが、開口径はＤ（λ₁）＜Ｄ（λ₂）と異なり、本発明の開口制限素子が有効である。

第１多層膜フィルタ１２は、透光性基板１１表面の開口数ＮＡ₁の中間円形領域（これを「Ｄ₁領域」とよぶ）と開口数ＮＡ₃の最内円形領域（ＮＡ₁＞ＮＡ₃；これを「Ｄ₃領域」とよぶ）との差からなる第１円環領域（これを「α領域」とよぶ）に、相対的に高屈折率の透明誘電体膜（図示せず）と相対的に低屈折率の透明誘電体膜（図示せず）を、各膜の光学的膜厚が波長程度で交互に積層された構造に形成されている。
この第１多層膜フィルタ１２は、波長λ₁と波長λ₂の光を９０％以上透過し、波長λ₃の光を７０％以上反射するように、高屈折率および低屈折率を有する２種の透明誘電体膜の屈折率、層数および各層の膜厚が従来の多層膜フィルタ設計手法により設定される。高屈折率の透明誘電体膜としてはＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂などが用いられ、低屈折率の透明誘電体膜としてはＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂などが用いられる。

第２多層膜フィルタ１３は、ガラスなどで形成した透光性基板１１の表面における、開口数ＮＡ₂の最外円形領域（これを「Ｄ₂領域」とよぶ）と開口数ＮＡ₁（ＮＡ₁＜ＮＡ₂）のＤ₁領域（中間円形領域）との差からなる第２円環領域（これを「β領域」とよぶ）に、相対的に高屈折率の透明誘電体膜（図示せず）と相対的に低屈折率の透明誘電体膜（図示せず）を、各膜の光学的膜厚が波長程度で交互に積層された構造に形成されている。
この第２多層膜フィルタ１３は、波長λ₂の光を９０％以上透過し、波長λ₁と波長λ₃の光を７０％以上反射するように、高屈折率および低屈折率を有する２種の透明誘電体膜の屈折率、層数および各層の膜厚が従来の多層膜フィルタ設計手法により設定される。高屈折率の透明誘電体膜としてはＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂などが用いられ、低屈折率の透明誘電体膜としてはＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂などが用いられる。

第１、第２の多層膜フィルタ１２、１３をこのような構造とすることにより、波長λ₁の入射光は開口数ＮＡ₁＝０．６５のＤ₁領域を直進透過し、波長λ₂の入射光は開口数ＮＡ₂＝０．６５のＤ₂領域を直進透過し、波長λ₃の入射光は開口数ＮＡ₃＝０．４５のＤ₃領域を直進透過する波長選択性の開口制限素子が得られる。また、図中符号１４は位相調整層である。

ここで、開口制限素子５１の開口数ＮＡ₂のＤ₂領域（内部は全て含む）を透過した波長λ₂の光の波面が変化しないように、また、開口数ＮＡ₁のＤ₁領域（内部は全て含む）を透過した波長λ₁の光の波面が変化しないように、第１円環領域αと、第２円環領域βと、最内円形領域（Ｄ₃）の内の少なくとも２つの領域には、透明基板１１の多層膜フィルタ１２、１３を形成した一面に位相調整用の段差が加工されていることが好ましい。

この位相調整用の段差は、透光性基板１１を直接加工して形成する場合と、透光性基板１１の表面に透光性誘電体膜を成膜した後で加工して形成する場合とがある。いずれも、最内円形領域Ｄ₃は、波長λ₁、λ₂、λ₃の入射光を透過するように反射防止膜１５等を形成して反射防止機能を付与することが好ましい。

次に、開口制限素子５１について、その断面図を拡大した図３を用いて具体的に説明する。
図３は、透光性基板１１の表面を加工して第１円環領域αと最内円形領域Ｄ₃の段差がｄ₃となるＳ₀面を位相調整用の段差として加工する例を示す。
第１円環領域αには、透光性基板１１の表面に第１多層膜フィルタ１２が形成されており、表面はＳ₂面となる。なお、Ｓ₀面とＳ₂面との段差、つまり第１多層膜フィルタ１２の膜厚をｄ₂とする。
また、第２円環領域βには、透光性基板１１の表面に第２多層膜フィルタ１３が形成されており、下面はＳ₁となり、Ｓ₀面とＳ₁面との段差がｄ₁となる。また、第２円環領域βは、表面がＳ₄となり、Ｓ₀面とＳ₄面との段差がｄ₄となる。

このように、外周領域である第２円環領域βには、第２多層膜フィルタ１３が形成されることにより、特定の１波長（λ₂）の光のみ透過し、他の２波長の光（λ₁およびλ₃）は反射する。第２多層膜フィルタ１３は、特定の１波長の光のみ透過し、他の波長を反射する用途に有効に用いられる。
また、中間領域である第１円環領域αには、第１多層膜フィルタ１２を形成することにより、特定の波長（λ₃）の光のみを反射し、他の２波長（λ₁およびλ₂）の光を透過する。第１多層膜フィルタ１２は、特定の１波長の光のみ反射し、他の波長を透過する用途に有効に用いられる。
また、内周領域である最内円形領域Ｄ₃では、３波長（λ₁、λ₂およびλ₃）を透過する。

したがって、波長λ₂の光は第２円環領域β、第１円環領域αおよび最内円形領域Ｄ₃のすべての領域を透過し、波長λ₁の光は第１円環領域αおよび最内円形領域Ｄ₃の２つの領域を透過し、そして波長λ₃の光は最内円形領域Ｄ₃を透過することになる。
このとき、開口数ＮＡ₂＝０．６５のＤ₂領域を直進透過する波長λ₂の入射光の透過波面が変化して収差劣化を引き起こさないため、第１円環領域αと、第２円環領域βと、最内円形領域Ｄ₃の各領域を透過する波長λ₂の透過光の位相差が、波長λ₂の整数倍となるようにする。具体的には第１円環領域αと最内円形領域Ｄ₃の各領域を透過する波長λ₂の透過光の位相差が０、第２円環領域βと最内円形領域Ｄ₃の各領域を透過する波長λ₂の透過光の位相差が波長λ₂の１倍となるようにする。

また、開口数ＮＡ₁＝０．６５のＤ₁領域を直進透過する波長λ₁の入射光の透過波面が変化して収差劣化を引き起こさないため、第１円環領域αと最内円形領域Ｄ₃の各領域を透過する波長λ₁の透過光の位相差が、波長λ₁の整数倍となるようにする。具体的には第１円環領域αと最内円形領域Ｄ₃の各領域を透過する波長λ₁の透過光の位相差が０となるようにする。

まず、第２円環領域βのＳ₀面とＳ₄面の光路長と最内円形領域Ｄ₃のＳ₀面とＳ₄面の光路長との差に起因して発生する波長λ₂の透過光の位相差が波長λ₂の１倍となるようにすればよい。ここで、第２円環領域βの総膜厚ｄ₄−ｄ₁の第２多層膜フィルタ１３を平均屈折率ｎ_M2の均一層と見なし、第２多層膜フィルタ１３内部の屈折率の異なる膜界面での多重反射に伴う光路長の増大も平均屈折率ｎ_M2で考慮する。

したがって、Ｓ₀面を基準にしたＳ₀面とＳ₄面との光学距離について、第２円環領域βでの光路長Ｌ₂₄と、最内円形領域Ｄ₃での光路長Ｌ₃₄は、次の（１）式と（２）式で規定される。

ここで、ｎ_M2は第２円環領域βにおけるＳ₁面とＳ₄面間の第２多層膜フィルタ１３の平均屈折率を、ｎ_M3は最内円形領域Ｄ₃における位相調整層１４、反射防止膜１５等も含めたＳ₀面とＳ₃面間の平均屈折率を示す。

したがって、（Ｌ₂₄−Ｌ₃₄）の光路差が波長λ₂の１倍となるよう、第２多層膜フィルタ１３について平均屈折率（ｎ_M2）で総膜厚（ｄ₄−ｄ₁）に形成するとともに、位相調整層１４、反射防止膜１５についてＳ₀面とＳ₃面間の平均屈折率（ｎ_M3）で総厚（ｄ₃）に形成する。即ち、（１）、（２）式の関係を満たすように、Ｓ₀面からＳ₄面を加工する。

その結果、波長λ₂の透過光に対して、第２円環領域βと最内円形領域Ｄ₃での位相差は発生しないため、第１円環領域αと最内円形領域Ｄ₃での波長λ₁および波長λ₂の透過光に対する位相差についてのみ調整すればよい。また、第１円環領域αの総膜厚ｄ₂の第１多層膜フィルタ１２を平均屈折率ｎ_M1の均一層と見なし、第１多層膜フィルタ１２内部の屈折率の異なる膜界面での多重反射に伴う光路長の増大も平均屈折率ｎ_M1で考慮する。

したがって、Ｓ₀を基準にしたＳ₀面とＳ₄面と光学距離についての第１円環領域αでの光路長Ｌ₁₄と最内円形領域Ｄ₃での光路長Ｌ₃₄は、次の（３）式と（４）式で規定される。

ここで、ｎ_M3は最内円形領域Ｄ₃における位相調整層１４、反射防止膜１５等も含めたＳ₀面とＳ₃面間の平均屈折率を示す。

したがって、（Ｌ₁₄−Ｌ₃₄）の波長λ₁の光路差が０、かつ、波長λ₂の光路差が０となるよう、多層膜フィルタ１２について平均屈折率（ｎ_M1）で総膜厚（ｄ₂）に形成するとともに、位相調整層１４、反射防止膜１５についてＳ₀面とＳ₃面間の平均屈折率（ｎ_M3）で総厚（ｄ₃）に形成する。即ち、（３）、（４）式の関係を満たすように、Ｓ₀面からＳ₃面を加工することにより、ＮＡ₁のＤ₁領域における波長λ₁の光の透過波面、およびＮＡ₂のＤ₂領域における波長λ₂の光の透過波面は変化することがなく、開口制御素子１による収差は発生しない。その結果、光ヘッド装置の対物レンズと一体で開口制限素子１を用いた場合、厚さの異なる光ディスクの情報記録面へ入射光を効率よく集光できる。

次に、この開口制限素子５１を搭載した本発明に係る光ヘッド装置１０の一実施形態について、図４に示す。
この光ヘッド装置１０は、光源である半導体レーザ（ＬＤ）２と、ビームスプリッタ（ＢＳ）３と、合成プリズム４と、コリメートレンズ５と、前述した実施形態の開口制限素子１と、対物レンズ６と、ホログラムビームスプリッタ（ＨＢＳ）７と、光検出器８とを備えている。また、光源である半導体レーザ（ＬＤ）２と、ホログラムビームスプリッタ（ＨＢＳ）７と、光検出器８とは、各波長ごとにそれぞれ専用のものが所定位置に設置されている。

半導体レーザ２Ａから出射された波長λ₁＝４０５ｎｍの光は、ビームスプリッタ３で反射され、合波プリズム４Ａを透過し、コリメートレンズ５により平行光となって開口制限素子１に入射する。開口数ＮＡ₁＝０．６５のＤ₁領域に相当する光束がＨＤ用に設計された対物レンズ６によりＨＤ用の光ディスク９１の情報記録面へ集光される。一方、ＨＤ用の光ディスク９１の情報記録面で反射した信号光は、元の経路を経て、開口制限素子１を透過し、一部の光がビームスプリッタ３を透過して光検出器８Ａの受光面へ集光され、電気信号に変換される。

また、半導体レーザ２Ｂから出射された波長λ₂＝６６０ｎｍの光は、その一部がホログラムビームスプリッタ７Ｂを透過し、合波プリズム４Ｂを透過し、合波プリズム４Ａで反射された後、コリメートレンズ５により集光され、発散光となって開口制限素子１に入射する。開口数ＮＡ₂＝０．６５のＤ₂領域に相当する光束が対物レンズ６によりＤＶＤ用の光ディスク９２の情報記録面へ集光される。情報記録面で反射した信号光は元の経路を経て、一部がホログラムビームスプリッタ７Ｂにより回折されて光検出器８Ｂの受光面へ集光され、電気信号に変換される。

また、半導体レーザ２Ｃから放射された波長λ₃＝７９０ｎｍの光は、その一部がホログラムビームスプリッタ７Ｃを透過し、合波プリズム４Ｂおよび合波プリズム４Ａで反射され、コリメートレンズ５により集光され発散光となって開口制限素子１に入射する。ここで、開口数ＮＡ₃＝０．４５のＤ₃領域に相当する光束のみが直進透過して対物レンズ６によりＣＤ用の光ディスク９３の情報記録面へ集光される。情報記録面で反射した信号光は元の経路を経て、一部がホログラムビームスプリッタ７Ｃにより回折されて光検出器８Ｃの受光面へ集光され、電気信号に変換される。

したがって、本発明の開口制限素子１を用い、図４の点線（内側の線）で示す光路のように、対物レンズ６への入射光を発散光とすることにより、球面収差を低減できるため、ＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤ用のいずれの光ディスク９にも記録および／または再生が実現できる。ここで、球面収差とは、カバー厚が０．６ｍｍのＨＤ用の光ディスク９１向けに設計された対物レンズ６をカバー厚が０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスク９２およびカバー厚が１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスク９３の記録および／または再生に用いた場合に発生するものである。

［第２の実施態様］
次に、本発明における開口制限素子の第２の実施形態について、図５を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
図５は、本発明における第２の実施形態に係る開口制限素子５２を示すものであり、この開口制限素子５２は、第１の実施態様の開口制限素子５１に、位相板２２が、透光性基板２１に挟まれた状態で一体化されている。

この位相板２２は、波長λ₁に対してπ／２の奇数倍となる位相差を付与するものであって、複屈折性を有する材料であればいずれでもよい。例えば、高分子液晶、水晶などの光学結晶や、一軸延伸により複屈折性が発現するポリカーボネートなどでもよい。また、本実施形態の位相板２２は、透光性基板１１と、透光性基板２１との間に挟まれた状態で一体化されているが、位相板２２の片面を開口制限素子５２のガラス基板１１の片面に接着した構成でもよい。その場合、透光性基板２１は不要である。

このように、波長λ₁に対して位相差がπ／２の奇数倍となる位相板２２を一体化すると、位相板２２の光軸と４５°の角度をなす振動方向の波長λ₁の直線偏光が往復することにより、振動方向が直交する直線偏光に変換される。このため、この開口制限素子５２を図４に示す光ヘッド装置に搭載すれば、ビームスプリッタ（ＢＳ）３として、波長λ₁＝４０５ｎｍで特定振動方向の直線偏光の入射光を反射し、それと直交する直線偏光の入射光を透過する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０を用いることにより、利用効率の高い光学系となる。

すなわち、図４において、半導体レーザ２Ａから出射された波長λ₁＝４０５ｎｍの紙面に垂直な振動方向の直線偏光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）３の替わりに前述の偏光ビームスプリッタ３０で反射され、合波プリズム４Ａを透過し、コリメートレンズ５により平行光となって開口制限素子５１の替わりに設けた開口制限素子５２に入射する。そして、この開口制限素子５２を透過した開口数ＮＡ₁＝０．６５のＤ１領域に相当する光束は、対物レンズ６によりＨＤ用の光ディスク９１の情報記録面へ集光される。
また、この情報記録面で反射した信号光は、元の経路を経て、開口制限素子５２の位相板２２を（往きと復りで、都合２回）透過することにより、紙面内の振動方向の直線偏光となり、前述の偏光ビームスプリッタ３０を透過して光検出器８Ａの受光面へ集光され、電気信号に変換される。

なお、本実施態様では、カバー厚が０．６ｍｍのＨＤ用の光ディスク９１として設計された対物レンズ６を、カバー厚が０．６ｍｍのＤＶＤ用の光ディスク９２およびカバー厚が１．２ｍｍのＣＤ用の光ディスク９３の記録および／または再生を行う光ヘッド装置用の対物レンズ６として使用するときには、図４に破線で示す光路のように、対物レンズ６への入射光を発散光とする。これにより、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスク９２、９３での使用の際には、発生する球面収差を低減しているが、開口数ＮＡ₂＝０．６５またはＮＡ₃＝０．４５に相当する開口制限素子５１または対物レンズ６において、所定の領域に収差補正面を形成してもよい。

次に、本発明に係る開口制限素子５１の実施例について、図１に示す断面図、および図２に示す平面図を用いて具体的に説明する。

屈折率ｎ＝１．４７のガラス基板（各実施形態での透光性基板を構成する）１１の片面において、全面に波長λ₁＝４０５ｎｍ、波長λ₂＝６６０ｎｍおよび波長λ₃＝７９０ｎｍの光に対する反射防止膜１５として、ＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅を交互に１２層積層（成膜）した。その構成を次の表１に示す。
この反射防止膜１５の光路長（屈折率×膜厚）は、波長λ₁（４０５ｎｍ）で９４３ｎｍ、波長λ₂（６６０ｎｍ）で９２３ｎｍであった。

一方、波長λ₂の光を９０％以上透過し、波長λ₁と波長λ₃の光を７０％以上反射する第２多層膜フィルタ１３として、高屈折率の透明誘電体膜Ｔａ₂Ｏ₅と低屈折率の透明誘電体膜ＳｉＯ₂を交互に１２層積層した構成を表２に示す。
この第２多層膜フィルタ１３の総膜厚（ｄ₄−ｄ₁）は１４７３ｎｍで、光路長は波長λ₁（４０５ｎｍ）で２７１２ｎｍ、波長λ₂（６６０ｎｍ）で２６５４ｎｍであった。

このような第２多層膜フィルタ１３をガラス基板１１の第２円環領域βに形成したとき、最内円形領域Ｄ₃と位相差が生じないようにするため、第２多層膜フィルタ１３を成膜する前に、あらかじめガラス基板１１の第２円環領域βをエッチング加工して位相調整用の段差を形成した。具体的には、最内円形領域Ｄ₃の表面Ｓ₃に対して、反射防止膜１５の膜厚５０５ｎｍを含みガラス基板１１を深さ７３０ｎｍとなるように加工した。

このとき、波長λ₂の入射光に対して、最内円形領域Ｄ₃での光路長部分は、前述した（２）式で決定される位相調整層として機能し、ガラス基板（Ｓ₀面より上側部分）１１と、位相調整層１４と、反射防止膜１５と、第２円環領域βとの間に生じたＳ₃、Ｓ₄面間の空気層の光路長７４３ｎｍとの光路長の和、つまり４つの層にわたる光路長和であり、Ｌ₃₄＝３２１０ｎｍであった。
一方、第２円環領域βのＳ₀面とＳ₄面間の光路長は、前述した（１）式で決定される。即ち、第２多層膜フィルタ１３の光路長２６５４ｎｍ（＝１．８０２×１４７３ｎｍ）と、Ｓ₀面とＳ₁面間のエッチング加工したガラス基板の光路長１２１６ｎｍとの和であり、Ｌ₂₄＝３８７０ｎｍとなり、ほぼＬ₂₄＝Ｌ₃₄+λ₂である。
したがって、第２円環領域βと最内円形領域Ｄ₃を透過する波長λ₂の透過光の位相差が波長λ₂の１倍、つまり位相差が生じない。

次に、波長λ₁と波長λ₂の光を９０％以上透過し、波長λ₃の光を７０％以上反射する第１多層膜フィルタ１２として、高屈折率の透明誘電体膜Ｔａ₂Ｏ₅と低屈折率の透明誘電体膜ＳｉＯ₂を交互に１０層積層した構成のものを表３に示す。
このときの第１多層膜フィルタ１２の総膜厚ｄ₂は、１２８０ｎｍで、光路長は波長λ₁（４０５ｎｍ）で２２１７ｎｍ、波長λ₂（６６０ｎｍ）で２１７６ｎｍであった。

このような第１多層膜フィルタ１２をガラス基板の第１円環領域αに形成したとき、最内円形領域Ｄ₃と位相差が生じないように、第１多層膜フィルタ１２を成膜する前に、あらかじめガラス基板１１の第１円環領域αをエッチング加工して、位相調整用の段差を形成した。具体的には、最内円形領域Ｄ₃の表面Ｓ₃に対して、反射防止膜１５の膜厚５０５ｎｍを含むガラス基板の深さが、１５６５ｎｍとなるように加工した。

このとき、波長λ₂の入射光に対して、Ｓ₀面からＳ₄面までの最内円形領域Ｄ₃での光路長は、前述した（４）式で決定される位相調整層として機能し、Ｌ₃₄＝３２１０ｎｍであった。一方、第１円環領域αでのＳ₀面からＳ₄面までの光路長Ｌ₁₄は、前述した（３）式で決定される。即ち、第１多層膜フィルタ１２の光路長２１７６ｎｍ（＝１．７０１×１２８０ｎｍ）と、最内円形領域Ｄ₃との間に生じたＳ₂面とＳ₄面間の空気層との光路長１０２８ｎｍの和であり、Ｌ₁₄＝３２０４ｎｍとなり、ほぼＬ₁₄＝Ｌ₃₄である。
また、第２円環領域βと最内円形領域Ｄ₃とでの位相差はないため、波長λ₂の入射光に対して、開口数ＮＡ₂の全領域において位相差のない透過波面が得られた。

また、波長λ₁の入射光に対しても同様に、Ｓ₀面からＳ₄面までの最内円形領域Ｄ₃での光路長はＬ₃₄＝３２４４ｎｍ、Ｓ₀面からＳ₄面までの第１円環領域αでの光路長は、Ｌ₁₄＝３２４５ｎｍとなり、ほぼＬ₁₄＝Ｌ₃₄となる。このため、波長λ₁の入射光に対しても、円形領域Ｄ₁の全領域において位相差のない透過波面が得られた。

ここで、このようにして得られた本実施例の開口制限素子５１の分光透過率を図６に示す。
第２円環領域βに形成された第２多層膜フィルタ１３の分光透過率を（ａ）で、第１円環領域αに形成された第１多層膜フィルタ１２の分光透過率を（ｂ）で、最内円形領域Ｄ₃に形成された反射防止膜１５の分光透過率を（ｃ）で示す。

これらのグラフから、第１多層膜フィルタ１２では、波長λ₁、λ₂の光の透過率が高くなっており、一方、第２多層膜フィルタ１３では、波長λ₂の光の透過率が高く、波長λ₁、λ₃の光の透過率が低くなっている。また、反射防止膜１５では、波長λ₁、λ₂、λ₃のいずれの入射光に対しても反射が防止されており、良好な透過特性が得られていることが分かる。
これにより、最外部側の第２円環領域βでは、波長λ₂の光が透過するが、波長λ₁の光は透過させないような構成が得られており、中間部の第１円環領域αでは、波長λ₁、λ₂の２種の光が透過可能になっている。また、最内部の最内円形領域Ｄ₃では、波長λ₁、λ₂、λ₃のいずれの波長の光も良好な透過率で透過できる構成となっている。

次に、本実施例の開口制限素子５１の第１多層膜フィルタ１２および第２多層膜フィルタ１３が形成されたガラス基板において、図５に示すように、その裏面に位相板２２を形成するとともに、この位相板２２にガラス基板を一体化して、開口制限素子５２を製造した。

ここで、位相板２２として、常光屈折率ｎ_o＝１．５５および異常光屈折率ｎ_e＝１．６０の複屈折材料である高分子液晶層を用いた。即ち、ガラス基板２１上の配向処理の施された配向膜上に液晶モノマ−の溶液を塗布し、液晶分子の配向ベクトル（分子配向軸）をガラス基板２１と平行な面内の特定方向に揃うように配向させた後、紫外線などの光を照射して重合硬化させ、高分子液晶層とした。
この位相板２２は、波長λ₁＝４０５ｎｍに対してλ／４位相板となるように、高分子液晶層の厚さを（λ₁／４）／（ｎ_e−ｎ_o）＝２０２５ｎｍとした。

したがって、図４に示す光ヘッド装置１０において、ＨＤ用の対物レンズ６と、開口制限素子５１の代わりに開口制限素子５２とを、アクチュエータ（図示せず）に一体化して搭載したところ、波長λ₁＝４０５ｎｍの入射光に対して透過波面劣化のないＮＡ₁＝０．６５の開口として作用するとともに、波長λ₂＝６６０ｎｍの入射光に対しては透過波面劣化のないＮＡ₂＝０．６５の開口として作用し、波長λ₃＝７９０ｎｍの入射光に対してはＮＡ₃＝０．４５の開口として作用することが確認できた。

その結果、ＨＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用それぞれの光ディスクの情報記録面に各波長の光が集光され、安定した記録および再生が実現した。また、ビームスプリッタ３として偏光性プリズムを用いることにより、波長λ₁の往路直線偏光をほぼ１００％反射するとともに、開口制限素子５２を往復することで位相板２２によって直交化した復路直線偏光を９５％以上透過するため、光検出器８Ａで効率よく信号光検出ができた。

なお、ここで述べる位相差調整用の段差とは、物理的な深さの相違に起因した段差に限定されず、材質の相違から生じる屈折率の異なる光学的段差も含み、第１円環領域α、第２円環領域βおよび最内円形領域Ｄ₃において、位相差調整用の段差が屈折率の異なる単層または多層の誘電体膜や、均一屈折率の有機物からなる場合もある。

本発明における開口制限素子は、位相板を一体化して用いることにより、偏光性のビームスプリッタを搭載した光ヘッド装置において、信号光を効率よく光検出器に取り込むことができる。その結果、単一の対物レンズを用いてＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクの情報の記録および／または再生ができる開口制限素子を実現し、光学特性に優れ、小型軽量化に適した光ヘッド装置を提供できる。

本発明における開口制限素子の第１の実施形態を示す断面図。 本発明における開口制限素子の第１の実施形態を示す平面図。 図１に示す開口制限素子の加工面の位置関係を示す要部の拡大断面図。 図１に示す開口制限素子を搭載した光ヘッド装置を示す構成図。 本発明における開口制限素子の第２の実施形態を示す断面図。 図１に示す開口制限素子の各領域での分光透過率で、（Ａ）は第２円環領域β（ＮＡ₂＝０．６５からＮＡ₁＝０．６５）、（Ｂ）は第1円環領域α（ＮＡ₁＝０．６５からＮＡ₃＝０．４５）および（Ｃ）は最内円形領域Ｄ₃（ＮＡ₃＝０．４５）。 従来の開口制限素子の構造を示す断面図。 従来の開口制限素子をＨＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクに対応した互換素子として用いる場合の各領域を示す説明図。

符号の説明

５１、５２開口制限素子
１１、２１ 透光性基板
１２ 第１多層膜フィルタ
１３ 第２多層膜フィルタ
１４ 位相調整層
１５ 反射防止膜
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 半導体レーザ
２２ 位相板
３ ビームスプリッタ
４、４Ａ、４Ｂ 合波プリズム
５ コリメートレンズ
６ 対物レンズ
７Ｂ、７Ｃ ホログラムビームスプリッタ
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ 光検出器
９、９１、９２、９３ 光ディスク（光記録媒体）

Claims (4)

1. 波長λ₁、λ₂およびλ₃（但し、λ₁＜λ₂＜λ₃）の光を出射する光源と、この光源から出射された光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、この対物レンズで集光され前記光記録媒体で反射された前記光を検出する光検出器と、前記光源と前記光記録媒体との間の光路中に配置され前記各波長の光に応じて透過領域を制限する開口制御素子とを備えた光ヘッド装置において、
   前記開口制御素子は、これを構成する基板の一方の面上の中央部にある第１円環領域に、第１多層膜フィルタが形成されているとともに、前記第１円環領域に外接する第２円環領域に、第２多層膜フィルタが形成されており、
   前記第１多層膜フィルタは、前記波長λ₁および波長λ₂の入射光を透過し前記波長λ₃の入射光を透過せず、
   前記第２多層膜フィルタは、前記波長λ₂の入射光を透過し前記波長λ₁および波長λ₃の入射光を透過しないことを特徴とする光ヘッド装置。
2. 前記開口制御素子は、前記第１円環領域、前記第２円環領域および前記第１円環領域に内接する最内円形領域の３つの領域において、前記波長λ₂の透過光に位相差がなく、また前記第１円環領域および前記最内円形領域の２つの領域において、前記波長λ₁の透過光に位相差がないようにするため、前記３つの領域のうち少なくとも２つの領域に位相差調整用の段差が前記開口制御素子の基板面に形成されている請求項１に記載の光ヘッド装置。
3. 前記開口制御素子は、前記第２円環領域の位相調整用の段差が前記第１円環領域の位相調整用の段差よりも浅く形成されるとともに、前記第２円環領域の表面段差が前記第１円環領域および前記最内円形領域の表面段差よりも高く形成され、
   前記第２円環領域の領域を透過する波長λ₂の透過光と前記第１円環領域と前記最内円形領域の各領域を透過する波長λ₂の透過光との位相差が１波長となる請求項１または２に記載の光ヘッド装置。
4. 前記開口制御素子において、波長λ₁の入射光に対して位相差がπ／２の奇数倍となる位相板が一体化されている請求項１から３のいずれか１項に記載の光ヘッド装置。

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