JP2005339718A - 光ピックアップとこれを用いた光情報処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの対物レンズで複数の光記録媒体にスポット形成するため、青色対物レンズで、ＤＶＤやＣＤ集光時に発生の収差を補正し、３波長の偏光光学系を実現する。
【解決手段】青色，ＤＶＤ，ＣＤの３波長互換のために光ピックアップに波長選択性互換素子を用いる。青色光記録媒体に対し良好な収差特性で設計の青色対物レンズ１０８を用い、ＤＶＤ系光記録媒体に無限系入射により発生する波面収差を補正するために、ＤＶＤ系光路は有限系で構成する。同様に、ＣＤ系光記録媒体に無限系入射により発生する波面収差が最良となる物体距離はＤＶＤ系に比べ短く、また対物レンズシフトの影響が懸念されることから、ＣＤ系については無限系入射とし、波長選択性互換素子１０７を用いて、発生するＣＤ系の収差を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、青色，ＤＶＤ，ＣＤの光記録媒体に対して、波長選択制互換素子を用い３波長において偏光光学系を実現する光ピックアップとこれを用いた光情報処理装置に関するものである。

映像情報、音声情報、またはコンピュータ上のデータを保存する手段として、記録容量０.６５ＧＢのＣＤ、記録容量４.７ＧＢのＤＶＤなどの光記録媒体が普及しつつある。そして、近年、さらなる記録密度の向上および大容量化の要求が強くなっている。

このような光記録媒体の記録密度を上げる手段としては、光記録媒体に情報の書き込みまたは呼び出しを行う光ピックアップにおいて、対物レンズの開口数（ＮＡ）を大きくすること、あるいは光源の波長を短くすることにより、この対物レンズによって集光され、光記録媒体上に形成されるビームスポットの小径化が有効である。そこで、例えば、「ＣＤ系光記録媒体」では、対物レンズの開口数（ＮＡ）が０.５０、光源の波長が７８５ｎｍとされているのに対して、「ＣＤ系光記録媒体」よりも高記録密度化がなされた「ＤＶＤ系光記録媒体」では、対物レンズの開口数（ＮＡ）が０.６５、光源の波長が６６０ｎｍとされている。そして、光記録媒体は、前述したように、さらなる記録密度の向上および大容量化が望まれており、そのためには、対物レンズの開口数（ＮＡ）を０.６５よりもさらに大きく、あるいは光源の波長を６６０ｎｍよりもさらに短くすることが望まれている。

そのような新規の規格として、青色光源を用いた以下の２つの規格が知られている。
・「ＨＤ−ＤＶＤ」規格、開口数（ＮＡ）：０.６５、波長λ：４０５ｎｍ、光記録媒体基板厚：０.６ｍｍ
・「Ｂlu−ray Ｄisc」規格、開口数（ＮＡ）：０.８５、波長λ：４０５ｎｍ、光記録媒体基板厚：０.１ｍｍ
前記のように、高ＮＡ化、あるいは短波長化による新規格が近年提案される一方、利用者の手元には、従来の光記録媒体であるＣＤ、ＤＶＤが存在する。これらの光記録媒体と前記新規格の光記録媒体をともに同一の光情報処理装置で取り扱えることが望ましい。これを実現する最も簡単な方法としては、従来の光ピックアップと、新規格用光ピックアップの２つの光ピックアップを搭載する方法が考えられる。しかし、このような方法では、装置の小型化、低コスト化を達成することは難しい。

そこで、青色，ＤＶＤ，ＣＤの各光源と、各光源からの出射光を所定の光記録媒体に集光させるための１つの対物レンズを備えた構成が望ましい。ところで、このように１つの対物レンズで、青色，ＤＶＤ，ＣＤの異なる規格の光記録媒体に集光させるためには、収差上の課題がある。波長：λ１＝４０５ｎｍ、開口数：ＮＡ（λ１）＝０.６７、基板厚：ｔ１＝０.６ｍｍの青色光記録媒体に対して、無限系入射（対物レンズへの入射光が平行光で入射する状態を意味する）で波面収差が最小となる単一の対物レンズを用いて、波長：λ２＝６６０ｎｍ、開口数：ＮＡ（λ２）＝０.６５、ｔ２＝０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に無限系入射でスポット形成させた場合、図２（ｂ）に示すように波長の違いに伴う球面収差が発生する。ここで、図２（ｂ）の横軸は光軸からの高さを示している。また縦軸は波面収差を示す。

同様に、波長：λ３＝７８５ｎｍ、開口数：ＮＡ（λ３）＝０.５０、ｔ２＝１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に無限系入射でスポット形成させた場合、図２（ｃ）に示すように波長および基板厚の違いに伴う球面収差が発生する。このような球面収差を抑制する方法として、特許文献１に記載されているような対物レンズへの入射光束を有限系入射させる方法が知られている。一般に対物レンズへの入射光束の発散状態を変化させることは、球面収差を変化させることと等価であるため、球面収差を低減可能な発散状態を選べばよい。例えば有限系で構成されるＣＤ光学系の物体距離（光源と対物レンズの間隔に相当する）を変化させると波面収差が抑制される。

図３（ｂ）は前記のＣＤ系において物体距離を振った場合を示す図であり、これによれば物体距離５０ｍｍ付近で波面劣化は小さくなる。図３（ｂ）は対物レンズと光源の間には、部品が存在しない場合で説明しているが、実際は対物レンズと光源の間に、波長板，プリズム，レンズなどが配置される。特に青色，ＤＶＤ，ＣＤの３つの光記録媒体に対応する光ピックアップにおいては、部品点数が多く、前述の５０ｍｍでは小さく、部品レイアウトの制約条件となってしまう。また有限系においては、トラッキング動作，シーク動作で生じる対物レンズシフトに伴いコマ収差が発生する課題がある。

このような課題に対応したものとして、特許文献２に記載されるような、対物レンズの前段にホログラム素子を配置し、ＣＤの光ビームはホログラム通過に伴い無限系から有限系に変換されるような構成となっている。
特許第３２４０８４６号 特開２００３−２９４９２６号公報 特開２００３−１７７２２６号公報

しかしながら、特許文献２で用いられているホログラム素子は偏光選択性のホログラム素子であった。そのために偏光光学系を適用することができなかった。この偏光光学系とは、光源から出射光と、光記録媒体から反射した光ビームを、偏光ビームスプリッタや偏光ホログラムで光路分離するものであって、このような構成は高効率の光学系が実現できるため、近年発売されているＤＶＤ記録／ＣＤ記録を行うコンボドライブのＤＶＤ系は偏光光学系で実現されている。３波長ピックアップのＤＶＤ系、さらには青色系はもちろんのこと、ＣＤ系においても偏光光学系が実現されることが望ましい。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、１つの対物レンズで青色，ＤＶＤ，ＣＤの３種類の光記録媒体に良好なスポット形成可能な光ピックアップ、より詳細には、青色対物レンズで、ＤＶＤやＣＤ集光時に発生する球面収差を補正する波長選択性互換素子により３波長において偏光光学系を実現して、光ピックアップとこれを用いた光情報処理装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る請求項１，２に記載される光ピックアップは、波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）の３つの光源と、各光源の出射光を光記録媒体に集光させるための対物レンズと、波長選択性互換素子とを有し、基板厚ｔ１（λ１），ｔ２（λ２），ｔ３（λ３）（ｔ１≦ｔ２＜ｔ３）の各光記録媒体に対して、情報の記録または再生を行う光ピックアップにおいて、波長選択性互換素子は、波長λ１，λ２の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ３の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ対物レンズからの出射光が基板厚ｔ３の光記録媒体に集光した際に発生する球面収差と逆極性の球面収差を発生させる回折パターンが形成されたこと、さらに、波長λ３の光源光は、波長選択性互換素子に無限系で入射する構成によって、青色（λ１）、ＣＤ（λ３）の各波長に対して良好なスポットが形成でき、さらにＣＤ（λ３）を無限系光路で実現し、物体距離の制約がなく、レイアウト自由な光学系が実現でき、対物レンズシフトによる波面劣化が生じない光学系が実現できる。

また、請求項３に記載される光ピックアップは、請求項１，２の光ピックアップであって、波長選択性互換素子の回折パターンは、波長λ３の光源光が斜め入射したときに光記録媒体上で発生するコマ収差と逆極性のコマ収差成分を球面収差成分に重畳させる構成によって、ＤＶＤ（λ２）、ＣＤ（λ３）の各波長に対して良好なスポットを形成でき、小型化、組付工数を削減できる。

また、請求項４，５に記載される光ピックアップは、請求項１〜３の光ピックアップであって、波長選択性互換素子の回折パターン周辺部に、第２の波長選択性回折パターンが施され、波長λ１，λ２の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ３の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ１次の回折光は、情報の記録または再生に用いるために光記録媒体上の集光スポットとは異なる位置に散乱すること、または波長選択性互換素子の回折パターン周辺部に波長選択性コートが施され、この波長選択性コートは、波長λ１，λ２の光源光は透過し、波長λ３の光源光に対しては反射する透過率特性を有した構成によって、青色（λ１）、ＤＶＤ（λ２）については不感帯、ＣＤ（λ３）については選択的な開口制限領域により良好なスポットを形成でき、また中心部と周辺部の回折パターンを同時に作製することができる。

また、請求項６，７に記載される光ピックアップは、請求項１〜５の光ピックアップであって、波長選択性互換素子のもう一方の面に形成された第３の回折パターンとして、波長λ１，λ３の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ２の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ対物レンズからの波長λ２の出射光が基板厚ｔ２の光記録媒体上に集光した際に発生する球面収差と逆極性の球面収差を発生させる回折パターンが形成されたこと、または波長選択性互換素子のもう一方の面に形成された位相シフタ面として、位相シフタ面は、波長λ１，λ３に対して２πの略整数倍となる位相差を与え、対物レンズからの波長λ２の出射光が基板厚ｔ２の光記録媒体上に集光した際に発生する球面収差と逆極性の球面収差を発生させる位相シフタパターンが形成された構成によって、青色（λ１）、ＤＶＤ（λ２）、ＣＤ（λ３）の３波長互換ができ、またＣＤの球面収差および開口制限機能を有する波長選択互換素子の裏面にＤＶＤ補正面を設けているので、素子を新たに追加することなく３波長互換ができる。

また、請求項８，９に記載される光ピックアップは、請求項６，７の光ピックアップであって、波長選択性互換素子のもう一方の面の第３の回折パターン周辺部に、第４の波長選択性回折パターンが施され、波長λ１，λ３の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ２の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ１次の回折光は、情報の記録または再生に用いるために光記録媒体上の集光スポットとは異なる位置に散乱されること、または波長選択性互換素子のもう一方の面の第３の回折パターン周辺部に、波長選択性コートが施され、この波長選択性コートは、波長λ１，λ３の光源光は透過し、波長λ２の光源光に対しては反射する透過率特性を有した構成によって、青色（λ１）、ＣＤ（λ３）については不感帯、ＤＶＤ（λ２）については選択的な開口制限領域により良好なスポットを形成でき、また中心部と周辺部の回折パターンを同時に作製することができる。

また、請求項１０に記載される光ピックアップは、請求項１〜５の光ピックアップであって、光源の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、各波長の実効開口数ＮＡ（λ１），ＮＡ（λ２），ＮＡ（λ３）が、次の条件「ＮＡ（λ１）＞ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）」を満足する対物レンズを用い、かつ対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、次の条件「φ１＝φ２＞φ３」を満足する構成によって、青色（λ１）、ＤＶＤ（λ２）、ＣＤ（λ３）に対して、各波長の実効開口数の対物レンズと、入射する入射光束径が条件を満足すると、ＤＶＤの開口制限領域を設ける必要がなくなる。

また、請求項１１に記載される光ピックアップは、請求項１〜１０の光ピックアップであって、光源から出射する光源光の使用波長に応じて、偏光状態を変化させる偏光素子を備え、偏光素子が、波長選択性互換素子と一体化された構成によって、部品点数の削減、光学系の小型化、組付工数の削減ができる。

また、請求項１２に記載される光ピックアップは、請求項１〜１１の光ピックアップであって、光源は、波長λ２の光源と、波長λ３の光源が同一パッケージに集積され、波長λ２の光源は対物レンズと同一光軸上に配置され、波長λ３の光源は波長λ２の光源と略同一の光軸垂直面内に並列配置された構成によって、ＤＶＤ（λ２）、ＣＤ（λ３）の各波長に対して良好なスポットを形成でき、小型化、組付工数を削減できる。

また、請求項１３に記載される光情報処理装置は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光ピックアップを用いて、波長λ１，λ２，λ３の少なくともいず１つの光源光により光記録媒体に対し情報の記録または再生、消去の１以上を行う構成によって、青色（λ１）、ＤＶＤ（λ２）、ＣＤ（λ３）の各光記録媒体に対して良好なスポットを形成できる互換型の光情報処理装置を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、物体距離の制約、対物レンズシフトによる影響を受けることなく、青色、ＤＶＤ系は０次回折（不感帯透過）し、ＣＤ系は１次回折する収差補正素子を実現し、また一枚の基板上にＣＤ収差補正、ＣＤ開口制限、ＤＶＤ収差補正、ＤＶＤ開口制限の波長選択性での４機能を集積化して、３波長において偏光光学系を実現した光ピックアップと、これを用い各光記録媒体に対して良好なスポットを形成できる互換型の光情報処理装置を実現できるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態１における光ピックアップであり、「使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.６７、光照射側基板厚０.６ｍｍの青色光記録媒体」と「使用波長６６０ｎｍ、ＮＡ０.６４で、光照射側基板厚０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体」と「使用波長７８５ｎｍ、ＮＡ０.５０で、光照射側基板厚１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体」をともに記録または再生、消去できる光ピックアップの概略構成を示す図である。

図１に示す光ピックアップの要部は、波長４０５ｎｍの半導体レーザ１０１、コリメートレンズ１０２、偏光ビームスプリッタ１０３、トリクロイックプリズム１０４、偏向プリズム１０５、１／４波長板１０６、波長選択性互換素子１０７、対物レンズ１０８、検出レンズ１１０、光束分割手段１１１、受光素子１１２から構成される波長４０５ｎｍの光ビームが通過する青色無限光学系と、ホログラムユニット２０１、カップリングレンズ２０３、ダイクロイックプリズム２０５、トリクロイックプリズム１０４、偏向プリズム１０５、１／４波長板１０６、波長選択性互換素子１０７、対物レンズ１０８から構成される波長６６０ｎｍの光ビームが通過するＤＶＤ有限光学系と、ホログラムユニット２１１、コリメートレンズ２１２、ダイクロイックプリズム２０５、トリクロイックプリズム１０４、偏向プリズム１０５、１／４波長板１０６、波長選択性互換素子１０７、対物レンズ１０８から構成される波長７８５ｎｍの光ビームが通過するＣＤ無限光学系から構成されている。

すなわち、ダイクロイックプリズム２０５、トリクロイックプリズム１０４、偏向プリズム１０５、１／４波長板１０６、波長選択性互換素子１０７、対物レンズ１０８は３つあるいは２つの光学系の共通部品である。

ここで、対物レンズ１０８は、「使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.６７で、光照射側基板厚０.６ｍｍの青色光記録媒体」に対し、無限系で波面収差が最小になるように設計されている。これは、一般に対物レンズは高ＮＡ、短波長になるほど公差が厳しくなるので、青色ＮＡ０.６５での望ましい特性を出す方が難しくなるためである。

また、対物レンズ１０８および波長選択性互換素子１０７はアクチュエータ部１０８ｂに保持され、フォーカス方向あるいはトラック方向に可動でき、サーボ制御により最適位置とされる。

次に、青色，ＤＶＤ系，ＣＤ系光記録媒体１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃはそれぞれ基板厚さあるいは使用波長が異なる光記録媒体で、青色光記録媒体１０９ａは基板厚さが０.６ｍｍの光記録媒体、ＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂは基板厚さが０.６ｍｍの光記録媒体、ＣＤ系光記録媒体１０９ｃは基板厚さ１.２ｍｍの光記録媒体である。記録、あるいは再生時にはいずれかの光記録媒体のみが図示しない回転機構にセットされて高速回転される。

まず、使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.６７で、光照射側基板厚０.６ｍｍの青色光記録媒体１０９ａに記録または再生、消去する場合について説明する。波長４０５ｎｍの半導体レーザ１０１から出射した直線偏光の発散光は、コリメートレンズ１０２で略平行光とされ、偏光ビームスプリッタ１０３、トリクロイックプリズム１０４を透過し、偏向プリズム１０５で光路を９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７を不感帯透過し、対物レンズ１０８に入射し、青色光記録媒体１０９ａ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。青色光記録媒体１０９ａから反射した光ビームは、往路とは反対回りの円偏光となり、再び略平行光とされ、１／４波長板１０６を通過して往路と直交した直線偏光になり、偏光ビームスプリッタ１０３で反射され、検出レンズ１１０で収束光とされ、光束分割手段１１１により複数の光路に偏向分割され受光素子１１２に至る。受光素子１１２からは、情報信号、サーボ信号が検出される。

次に、使用波長６６０ｎｍ、ＮＡ０.６４で、光照射側基板厚０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に記録または再生、消去する場合について説明する。近年、ＤＶＤの光ピックアップには受発光素子を１つのキャンの中に設置し、ホログラムを用いて光束の分離を行うホログラムユニットが一般的に用いられるようになってきた。図１において、２０１は、半導体レーザ２０１ａ、ホログラム２０１ｂおよび受光素子２０１ｃを一体化して構成されたホログラムユニットを示す。このホログラムユニット２０１の半導体レーザ２０１ａから出射された６６０ｎｍの光ビームは、ホログラム２０１ｂを透過し、カップリングレンズ２０３で所定の有限光ビームとされ、赤色波長帯域の光ビームは透過し、赤外波長帯域の光ビームは反射させるダイクロイックプリズム２０５を透過し、青色波長帯域の光は透過し、赤色および赤外波長帯域の光ビームは反射させるトリクロイックプリズム１０４によって偏向プリズム１０５の方向に反射され、偏向プリズム１０５によって光路が９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し略円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７を不感帯透過し対物レンズ１０８に入射し、ＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。ＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂから反射した光ビームは、偏向プリズム１０５、トリクロイックプリズム１０４で反射され、カップリングレンズ２０３で収束光とされ、ホログラム２０１ｂにより半導体レーザ２０１ａと同一キャン内にある受光素子２０１ｃ方向に回折されて受光素子２０１ｃに受光される。受光素子２０１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。

次に、使用波長７８５ｎｍ、ＮＡ０.５０で、光照射側基板厚１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に記録または再生、消去する場合について説明する。ＣＤについてもＤＶＤと同様にホログラムユニットが一般的に用いられるようになってきた。図１において、２１１は、半導体レーザ２１１ａ、ホログラム２１１ｂおよび受光素子２１１ｃを一体化して構成されたホログラムユニットを示す。このホログラムユニット２１１の半導体レーザ２１１ａから出射された７８５ｎｍの光ビームは、ホログラム２１１ｂを透過し、コリメートレンズ２１２で平行光とされ、赤色波長帯域の光ビームは透過し、赤外波長帯域の光ビームは反射させるダイクロイックプリズム２０５で反射し、青色波長帯域の光ビームは透過し、赤色および赤外波長帯域の光ビームは反射させるトリクロイックプリズム１０４によって偏向プリズム１０５の方向に反射され、偏向プリズム１０５によって光路が９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し略円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７の開口制限領域でＮＡ０.５０に制限されるとともに、波長選択性互換素子１０７のＮＡ０.５０以内を透過する光ビームは収差補正領域において、光記録媒体上で良好なスポットが形成されるように１次回折される。１次回折した光ビームは、対物レンズ１０８に入射し、ＣＤ系光記録媒体１０９ｃ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。ＣＤ系光記録媒体１０９ｃから反射した光ビームは、偏向プリズム１０５、トリクロイックプリズム１０４、ダイクロイックプリズム２０５で反射され、コリメートレンズ２１２で収束光とされ、ホログラム２１１ｂにより半導体レーザ２１１ａと同一キャン内にある受光素子２１１ｃ方向に回折されて受光素子２１１ｃに受光される。受光素子２１１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。

以下、ＮＡ０.６５青色方式，ＤＶＤ，ＣＤの３波長互換のために、本実施の形態１で採用している波長選択性互換素子について説明する。

使用波長がλ＝４０５ｎｍ、基板厚が０.６ｍｍの青色光記録媒体に対して良好な収差特性（図２（ａ）参照）となるよう設計されたＮＡ＝０.６７青色対物レンズ１０８を、使用波長λ＝６６０ｎｍで厚さが０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体にＮＡ＝０.６５で無限系入射で用いたときに発生する波面収差を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）は横軸に入射瞳半径をとり、縦軸に波面収差を表す。この図２（ｂ）は位相差分布の２次元的な断面形状を表しているが、実際には縦軸（ＮＡ＝０）に関して回転対称な３次元的な分布となっている。このようなＤＶＤ無限系の発生の収差を補正するために、本実施の形態１ではＤＶＤ系光路は有限系で構成している。ＤＶＤ系光路において物体距離と波面収差の関係を図３（ａ）に示す。物体距離１５０ｍｍのあたりで、波面収差が最小となり、波面収差の形状を図４（ａ）に示す。

同様に、使用波長はλ＝７８５ｎｍで厚さが１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体にＮＡ＝０.５０で無限系入射で用いたときに発生する波面収差を図２（ｃ）に示す。ＣＤ系についても同様に物体距離と波面収差の関係を図３（ｂ）に示す。物体距離５０ｍｍのあたりで波面最良（図３（ｂ）参照）となるが、ＤＶＤ系に比べ物体距離が短い。また前述のとおり、対物レンズシフトの影響が懸念される。ＤＶＤ有限系での対物レンズシフトと、ＣＤ有限系の対物レンズシフトの影響を図５（ａ），（ｂ）に示す。トラッキング制御精度上、０.３〜０.４ｍｍを想定するべきであるがＣＤ系は劣化度合いが大きく、一般に波面収差の上限値とされるマレシャル限界０.０７λｒｍｓに近い値となっている。

以上のことから、ＣＤ系については無限系で入射されることが望ましい。このため本実施の形態１では、波長選択性互換素子１０７を用いて、無限系入射で発生するＣＤ系球面収差を補正する。

また、本実施の形態１で用いられている波長選択性互換素子１０７は特許文献１で用いた偏光選択性の回折素子でなく、波長選択性回折領域が設けられたものであるため、光学系を偏光光学系で構成することが可能である。一般に偏光選択性回折素子は、複屈折媒質と等方性媒質をガラスで挟み込むような煩雑な構成で構成されるが、波長選択性回折素子であれば、ガラス，プラスチックなどの基板表面に回折面が設けられた製造が容易な構成で実現できる。回折領域は図６（ａ）に示すように、光軸を中心に複数本の輪帯からなる。そして断面形状は、図６（ｂ）に示すように矩形形状からなり、その作成法として、フォトリソグラフィ技術を応用する方法と、ダイヤモンドバイトなどで精密切削する方法がある。また形状を金型に雛形を形成しておき、射出成形またはいわゆる２Ｐ法で透明材料から複数の回折光学素子を複製することもできる。

ＣＤ収差補正回折領域１０７ａは、図７（ａ）に示すように、波長４０５ｎｍの光ビームが入射した場合には、実質上０次の回折光を出射、すなわち不感帯透過する。そして、この０次の回折光は、対物レンズ１０８によって青色光記録媒体１０９ａに集光される。またＣＤ収差補正回折領域１０７ａは、図７（ｂ）に示すように、波長６６０ｎｍの光ビームが入射した場合にも、実質上０次の回折光を出射、すなわち不感帯透過する。そして、この０次の回折光は、対物レンズ１０８によってＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂに集光される。一方、波長７８５ｎｍの光ビームが入射した場合には、図７（ｃ）に示すように、１次の回折光を出射する。よって、青色波長帯域、赤色波長帯域については単なる透過素子として機能し、赤外波長帯域の光ビームに対しては回折素子として機能する。

そして、回折度合いは、波長７８５ｎｍの光ビームに対して対物レンズ１０８が有する球面収差と、対物レンズ１０８からの波長７８５ｎｍの出射光がＣＤ系光記録媒体１０９ｃの透明基板を透過する際に生じる球面収差との和を補正するように設計されている。このような設計により、波長７８５ｎｍの光ビームをＣＤ系光記録媒体１０９ｃに良好に集光させることができた。図４（ｄ）は後述する設計事例の回折パターンを通過した場合の波面収差特性である。

図６（ｂ）は回折パターンの模式的な断面図を示す。この回折格子断面における凹凸形状の周期的な位相差が、選択的に透過させたい波長（４０５ｎｍ、６６０ｎｍ）の２π倍とすることで４０５ｎｍ、６６０ｎｍの光ビームに対しては０次透過率が高く、７８５ｎｍの波長に対しては１次回折効率を高くできる。図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、断面凹凸形状の回折格子の０次光透過率、１次光回折効率と、凹凸形状の溝深さとの関係を、波長４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８５ｎｍについて示す図である。溝深さ３.８μｍ付近では、波長４０５ｎｍ、６６０ｎｍの０次光透過率が１００％近くなり、波長７８５ｎｍの１次光透過率が高くなる。この溝深さは、浅いほど歩留まりはよくなるため、所望の位相差の最小公倍数を選択する。

次に、対物レンズおよび回折光学素子の形状に関して具体的な数値事例を示す。図８に示したように非球面の対物レンズ１０８の光源側に波長選択性互換素子１０７が配置され、その光源側の面上に回折格子を形成している。

レンズ面の非球面形状は、光軸方向の座標：Ｘ、光軸直交方向の座標：Ｙ、近軸曲率半径：Ｒ、円錐定数：Ｋ、高次の係数：Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，…を用いて、周知の非球面式を次の式（数１）で表される。

また、回折光学素子の位相関数Φ（ｒ）は、回折次数：ｍ、波長：λ、光軸からの半径：ｒ、係数Ｃ１〜Ｃ５を用いて、次の式（数２）で表される。

本実施の形態１における対物レンズは、使用波長：４０５ｎｍ、ＮＡ：０.６７、ｆ：３.００ｍｍ、ｎｄ：１.５９、νｄ：６１.３であり、図９に、具体的データを示す。図９中の記号は、以下のとおりである。「ＯＢＪ」は物点（光源としての半導体レーザ）を意味するが、対物レンズ１０８は波長４０５ｎｍ、７８５ｎｍについては「無限系」であり、曲率半径：ＲＤＹおよび厚さ：ＴＨＩの「ＩＮＦＩＮＩＴＹ（無限大）」は光源が無限遠にあることを意味する。一方、ＤＶＤ系は有限系で構成され、その物体距離は１５０ｍｍで記載されている。なお、特に断らない限り、長さの次元を持つ量の単位は「ｍｍ」である。

「Ｓ１」は波長選択性互換素子１０７の光源側面、「Ｓ２」は光記録媒体側面を意味する。「Ｓ３」は対物レンズ１０８の光源側面、「Ｓ４」は光記録媒体側面を意味する。本実施の形態１における対物レンズ１０８の肉厚は１.７０ｍｍであり、Ｓ４の欄の曲率半径の右側に記載された厚さ１.６４ｍｍは「ワーキングディスタンス：ＷＤ」を示す。「Ｓ５」は光記録媒体１０９の光照射側基板の光源側面、「Ｓ６」は同記録面に合致した面であり、これらの面Ｓ５，Ｓ６の間隔、すなわち、基板厚は青色光記録媒体については０.６ｍｍ、ＤＶＤ系光記録媒体については０.６ｍｍ、ＣＤ系光記録媒体については１.２ｍｍである。「ＥＰＤ：入射瞳径」は、青色、ＤＶＤについては４.０ｍｍ、ＣＤについては３.１ｍｍである。「ＷＬ：波長」は使用波長を表す。

得られた対物レンズと波長選択性互換素子を組み合わせた系の軸上波面収差は、青色については０.００２０λｒｍｓ、ＤＶＤ系については０.０３７１λｒｍｓ、１次回折光を用いたＣＤ系については０.０００１λｒｍｓであり、マレシャル限界０.０７λｒｍｓ以下に抑えられている。また、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）には、青色，ＤＶＤ，ＣＤの前記数値事例に対応したレンズ外形形状を示す。

また、図７では、ＣＤ収差補正回折領域１０７ａは、光源側に面するように配置されているが、回折領域が対物レンズ側に面するように配置してもよい。このことは、後述する各実施の形態についても同様に言えることである。

さらに、図７のように基板上に回折領域を形成する代わりに、対物レンズ上に直接回折領域を設けてもよい。このように対物レンズ上に直接回折領域を設けることにより、構造の安定化を図ることができる。このような構成とした場合には、対物レンズに入射される光ビームが青色波長帯域、赤色波長帯域である場合には０次光が出射され、赤外波長帯域の場合には１次光を光記録媒体上に集光するようにして用いられる。

次に、ＮＡと光束径に関する条件について説明する。本実施の形態１では、光記録媒体に応じて、開口数（ＮＡ）を切り換える必要がある。すなわち、青色光記録媒体ではＮＡ０.６７であり、ＤＶＤ系光記録媒体ではＮＡ０.６４であり、ＣＤ系光記録媒体ではＮＡ０.５０である。対物レンズの焦点距離をｆ、集光に利用される光ビームの有効径をφとしたとき、ＮＡは次の式（数３）で与えられる。

前述の実施の形態１によれば、青色での焦点距離は３.００ｍｍ、ＤＶＤでの焦点距離は３.１０ｍｍであるため、有効径φ：４.００ｍｍを選択すれば、それぞれＮＡは、０.６７、０.６４となりＤＶＤ規格、ＨＤ−ＤＶＤ規格の推奨ＮＡ値を概ね満足する。

一般に、焦点距離は長波長ほど長くなるため、ＤＶＤ記録系で推奨されるＮＡ０.６５とＨＤ−ＤＶＤで推奨されるＮＡ０.６５を概ね両立させるためには本実施の形態１のようにＮＡ配分をＤＶＤ系はＮＡ０.６５より若干低め、青色系はＮＡ０.６５より若干大きめとなる共通の有効径を選択してやればよく、これにより開口制限の負担を軽減できる。しかしながら、ＣＤ系については焦点距離３.１２ｍｍで、ＮＡ０.５０程度を満足するためには、通過光束径を切り換える手段を用いる必要がある。そこで、本実施の形態１では、波長に応じて、反射，回折のいずれかの光学特性を利用して光束径の切り換えを行う波長選択性開口制限領域を設けている。

以上に説明したようにφ（λ＝４０５ｎｍ、６６０ｎｍ）、φ（λ＝７８５ｎｍ）の２段階の開口切換が必要である。本実施の形態１では、φ（λ＝４０５ｎｍ、６６０ｎｍ）は、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すようにアクチュエータ部１０８ｂに設けられた開口部１０８ｃで制限し、φ（λ＝７８５ｎｍ）の開口制限手段としては、光源から出射される光束の波長に応じて光束径を切り換える波長選択性回折領域のＣＤ開口制限回折領域１０７ｂを、ＣＤ収差補正回折領域１０７ａの周辺部に設けてなる。図７（ａ）は青色波長帯域の光束，図７（ｂ）は赤色波長帯域の光束，図７（ｃ）は赤外波長帯域の光束における各光束の透過特性を説明する図である。ＣＤ開口制限回折領域１０７ｂは、青色波長帯域と赤色波長帯域の光に対しては作用せず（０次光透過）、赤外波長帯域の光についてのみ１次回折させる。

図６（ｃ）は回折パターンの模式的な断面図を示す。この回折格子断面における凹凸形状の周期的な位相差が、選択的に透過させたい波長（４０５ｎｍ、６６０ｎｍ）の２π倍とすることで４０５ｎｍ、６６０ｎｍの光に対しては回折効率が低く、７８５ｎｍの波長に対しては回折効率を高くできる。この点は、図６（ｂ）、図７で説明したＣＤ収差補正回折領域１０７ａと同じであり、図８の回折効率と同じ特性を利用すればよい。

また、光源からの出射光が、光記録媒体へ向かう途中、ＣＤ開口制限回折領域１０７ｂに形成された回折格子により回折され光記録媒体へ向かう。図７（ｃ）に示すように、この回折光が、記録再生に用いられるＮＡ０.５０以下の光ビームによって集光されるスポットにフレア重畳しないように散乱させる。

また、本実施の形態１の他の例として、ＣＤ開口制限回折領域１０７ｂの代わりに、波長に応じて、図１１に示すように透過／反射によって光束径を切り換える手段を用いてもよい。すなわち、図１２に示すような透過率特性を有するダイクロコートをＣＤ収差補正回折領域１０７ａの周辺部に蒸着してＣＤ開口制限コート領域１０７ｃを形成してやることで、図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように青色波長帯域、赤色波長帯域の光については不感帯透過し、赤外波長帯域の光ビームに対しては反射させることができる。この赤外波長帯域の反射光は、ＣＤ系受光素子に入射しノイズとなることを避けるために傾けて配置されてある。

図１３は本実施の形態１における別の光ピックアップの概略構成を示す図である。図１の光ピックアップの構成と異なる点は、ＤＶＤ用受発光素子とＣＤ用受発光素子を１つのパッケージに集積した２波長のホログラムユニット２１１を用いた点である。このような２波長のホログラムユニット２１１を用いれば、光ピックアップの小型化、組付工数の低減が図れる。しかしながら、このような２波長のホログラムユニット２１１では、２光源は数百ミクロン程度の間隔を有する。そのため、ＤＶＤ系光源を対物レンズ１０８およびコリメートレンズ２２２の光軸上に配置した場合、ＣＤ系光源からの光は図１４に示すように像高を持ってしまい、結果、図１５に示すようなコマ収差が発生してしまう。このような場合には、球面収差成分を有する回折パターンにさらに図１５とは逆極性のコマ収差を重畳させた回折パターンとしてやることにより良好なスポットを得ることが可能となる。

図１６は本発明の実施の形態２における光ピックアップであり、「使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.６７で、光照射側基板厚０.６ｍｍの青色光記録媒体」と「使用波長６６０ｎｍ、ＮＡ０.６４で、光照射側基板厚０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体」と「使用波長７８５ｎｍ、ＮＡ０.５０で、光照射側基板厚１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体」をともに記録または再生、消去できる光ピックアップの概略構成を示す図であり、実施の形態１と異なる点は、ＤＶＤ系光路を無限系で構成した点である。これにより、光学系レイアウトの自由度をさらに増すことができる。

まず、使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.６７で、光照射側基板厚０.６ｍｍの青色光記録媒体を記録または再生、消去する場合について説明する。波長４０５ｎｍの半導体レーザ１０１から出射した直線偏光の発散光は、コリメートレンズ１０２で略平行光とされ、偏光ビームスプリッタ１０３、トリクロイックプリズム１０４を透過し、偏向プリズム１０５で光路を９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７を不感帯透過し、対物レンズ１０８に入射し、青色光記録媒体１０９ａ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。青色光記録媒体１０９ａから反射した光ビームは、往路とは反対回りの円偏光となり、再び略平行光とされ、１／４波長板１０６を通過して往路と直交した直線偏光になり、偏光ビームスプリッタ１０３で反射され、検出レンズ１１０で収束光とされ、光束分割手段１１１により複数の光路に偏向分割され受光素子１１２に至る。受光素子１１２からは、情報信号、サーボ信号が検出される。

次に、使用波長６６０ｎｍ、ＮＡ０.６４で、光照射側基板厚０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体を記録または再生、消去する場合について説明する。２０１は、半導体レーザ２０１ａ、偏光ホログラム２０１ｂおよび受光素子２０１ｃを一体化して構成されたホログラムユニットを示す。このホログラムユニット２０１の半導体レーザ２０１ａから出射された６６０ｎｍの光は、ホログラム２０１ｂを透過し、コリメートレンズ２０２で略平行光とされ、赤色波長帯域の光は透過し、赤外波長帯域の光は反射させるダイクロイックプリズム２０５を透過し、青色波長帯域の光ビームは透過し、赤色および赤外波長帯域の光ビームは反射させるトリクロイックプリズム１０４によって偏向プリズム１０５の方向に反射され、偏向プリズム１０５によって光路が９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７のＤＶＤ収差補正領域において、光記録媒体上で良好なスポットが形成されるように１次回折される。１次回折した光ビームは、対物レンズ１０８に入射し、ＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。ＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂから反射した光は、偏向プリズム１０５、トリクロイックプリズム１０４で反射され、コリメートレンズ２０２で収束光とされ、ホログラム２０１ｂにより半導体レーザ２０１ａと同一キャン内にある受光素子２０１ｃ方向に回折されて受光素子２０１ｃに受光される。受光素子２０１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。

次に、使用波長７８５ｎｍ、ＮＡ０.５０で、光照射側基板厚１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体を記録または再生、消去する場合について説明する。２１１は、半導体レーザ２１１ａ、ホログラム２１１ｂおよび受光素子２１１ｃを一体化して構成されたホログラムユニットを示す。このホログラムユニット２１１の半導体レーザ２１１ａから出射された７８５ｎｍの光ビームは、ホログラム２１１ｂを透過し、コリメートレンズ２１２で平行光とされ、赤色波長帯域の光は透過し、赤外波長帯域の光は反射させるダイクロイックプリズム２０５で反射し、青色波長帯域の光ビームは透過し、赤色および赤外波長帯域の光ビームは反射させるトリクロイックプリズム１０４によって偏向プリズム１０５の方向に反射され、偏向プリズム１０５によって光路が９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、開口制限領域でＮＡ０.５０に制限されるとともに、波長選択性互換素子１０７のＮＡ０.５０以内を透過する光ビームは収差補正領域で１次回折され、対物レンズ１０８に入射し、ＣＤ系光記録媒体１０９ｃ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。ＣＤ系光記録媒体１０９ｃから反射した光は、偏向プリズム１０５、トリクロイックプリズム１０４、ダイクロイックプリズム１０５で反射され、コリメートレンズ２１２で収束光とされ、ホログラム２１１ｂにより半導体レーザ２１１ａと同一キャン内にある受光素子２１１ｃ方向に回折されて受光素子２１１ｃに受光される。受光素子２１１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。

以下、ＮＡ０.６５青色方式，ＤＶＤ，ＣＤの３波長互換のために、本実施の形態２で採用している波長選択性互換素子について説明する。ＣＤ開口制限回折領域１０７ｂは実施の形態１での開口制限領域と同一であり、またＣＤ収差補正回折領域１０７ａは実施の形態１でのＣＤ収差補正領域と同一であるため説明は省略し、実施の形態１と異なるＤＶＤ収差補正回折領域１０７ｄについて説明する。

いま、使用波長がλ＝４０５ｎｍ、基板厚が０.６ｍｍの青色光記録媒体に対して良好な収差特性となるよう設計されたＮＡ＝０.６７青色対物レンズを、使用波長はλ＝６６０ｎｍで厚さが０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体にＮＡ＝０.６５で無限系入射で用いたときに発生する波面収差は図２（ｂ）において説明したとおりである。

ＤＶＤ系の収差補正領域としては、青色波長帯域、赤外波長帯域の光ビームについては不感帯透過し、赤色波長帯域の光ビームについては、球面収差を補正するような回折パターンが形成されていればよい。このような回折領域として特許文献３で記載されているような回折領域が知られている。図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて説明する。ＤＶＤ収差補正回折領域１０７ｄは、例えばその断面が実質的に４レベルの階段形状である。そして、ＤＶＤ収差補正回折領域１０７ｄは、青色波長帯域、赤外波長帯域の光ビームが入射した場合は実質上０次の回折光を出射、すなわち不感帯透過し、赤色波長帯域の光が入射した場合には１次回折光を出射する。よって、青色波長帯域、赤外波長帯域については単なる透過素子として機能し、赤色波長帯域の光に対しては回折素子として機能する。回折度合いは、波長６６０ｎｍの光に対して対物レンズ１０８が有する球面収差と、対物レンズ１０８からの波長６６０ｎｍ出射光がＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂの透明基板を透過する際に生じる球面収差との和を補正するように設計されている。このような設計により、波長６６０ｎｍの光ビームをＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂに良好に集光させることができた。

また、断面を矩形形状でなく、４レベルの階段形状としている。このとき、各段の高さｈ、屈折率ｎ、入射光の波長をλとすると、０次回折光透過率η_０、＋１次回折効率η_＋１、−１次回折効率η_−１は以下の式（数４）〜（数７）で表される。

また、図１８に波長６６０ｎｍにおける、格子高さと回折効率の関係を示す。例えば、ｈ＝１.５３ｕｍ、４段での高さ４.５８ｕｍ，材質ＨＯＹＡ社ＢＫ７、λ＝４０５ｎｍ、ｎ＝１.５３０に対してはφ＝１２πであるから、η_０＝１、η_＋１＝０、η_−１＝０となり、λ＝６６０ｎｍ、ｎ＝１.５１４に対してはφ＝７.１３πであるから、η_０＝１、η_＋１＝０.０１、η_−１＝０.７６となり、λ＝７８５ｎｍ、ｎ＝１.５１１１に対してはφ＝４πであるから、η_０＝１、η_＋１＝０、η_−１＝０となる。よって、λ＝４０５ｎｍに対してはη_０ ^２＝１、λ＝７８５ｎｍに対してはη_０ ^２＝１、λ＝６６０ｎｍに対してはη_０ ^２＝０.５８となる。

次に、対物レンズおよび波長選択性互換素子の回折パターン形状に関して具体的な数値事例を示す。図１７に示したように非球面の対物レンズ１０８の光源側に波長選択性互換素子１０７が配置され、その光源側の面上にＣＤ収差補正回折領域１０７ａおよびＣＤ開口制限回折領域１０７ｂが形成され、光記録媒体側にＤＶＤ収差補正回折領域１０７ｄが形成されている。具体的データを図１９に示す。図１９中の数値に関する説明は実施の形態１と同じである。また図２０（ａ），（ｂ），（ｃ）には、青色，ＤＶＤ，ＣＤの図１９の数値事例に対応したレンズ外形形状を示す。

得られた対物レンズと波長選択性互換素子を組み合わせた系の軸上波面収差は、青色については０.００２０λｒｍｓ、１次回折光を用いたＤＶＤ系については０.００２０λｒｍｓ、１次回折光を用いたＣＤ系については０.０００１λｒｍｓであり、マレシャル限界０.０７λ以下に抑えられている。このときの波面形状は青色，ＤＶＤ，ＣＤの順に図２（ａ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）と等価である。

本実施の形態２では、ＣＤ開口制限領域とＣＤ収差補正領域が形成された面は光源側に、ＤＶＤ収差補正領域が光記録媒体側に配置されてなるが、これは反対であってもよい。

また、図７のように基板上に回折領域を形成する代わりに、対物レンズ上に直接回折領域を設けてもよい。ＣＤ収差補正領域のみをレンズ面に設けてもよいし、ＤＶＤ収差補正領域のみをレンズ面に設けてもよい。さらにＣＤ収差補正領域、ＤＶＤ収差補正領域を対物レンズの各面にそれぞれ設けてもよい。

本実施の形態２の他の例で、収差補正素子としては前記のような回折を利用したものに限られず、０次光を利用した図２１に示すような階段形状を有する位相シフトパターンを用いた方法であってもよい。

また、波長選択性互換素子１０７のＤＶＤ収差補正位相シフタ領域１０７ｅの位相シフトパターンは、波長４０５ｎｍ、波長７８５ｎｍでは不感帯を持つ波長選択性のパターンとすることにより、波長４０５ｎｍ、波長７８５ｎｍでは不要な作用はしないとともに、波長６６０ｎｍで位相補正素子の性能が十分に確保される構成となっている。

ここで、不感帯とするための条件について説明する。基板材料の屈折率をｎ、階段形状の１ステップの高さをｈ、点灯光源の波長をλとしたときの、位相シフトパターンで発生する位相差：δ（λ）は、次の式（数８）で与えられるため、

δ（４０５ｎｍ）、δ（７８５ｎｍ）が２πの整数倍となる基板材料と、高さｈを選択すればよい。例えば、ｈ：１.３４μｍ、基板材料としてＨＯＹＡ社製のＢａＣＤ５のとき、λ：４０５ｎｍに対してはｎ：１.６０４９４９、δ（４０５ｎｍ）：４.０π（＝２.０π×２）、λ：６６０ｎｍに対してはｎ：１.５８６０５１、δ（６６０ｎｍ）：２.４π（＝０.４π）、λ：７８５ｎｍに対してはｎ：１.５８２５０９、δ（７８５ｎｍ）：２.０π（＝２.０π×１）。

このような材料を用いて、波長６６０ｎｍの光に対して、対物レンズ１０８からの出射光が厚さ０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂを透過する際に生じる球面収差と、対物レンズ１０８および波長選択性互換素子１０７などから構成される光学系が有する球面収差の和を打ち消すような階段形状を形成すればよい。

すなわち、使用波長の違いに起因して発生する球面収差が、図２２（ａ）の上側部分の如きものであったとする。このような波面収差に対し、対物レンズに光源側から入射する光束に、図２２（ａ）の下側部分に示すような位相差が与えられるように、位相シフトパターンの階段形状を調整すると、位相シフトパターンを透過する光束の各部での波面の遅れにより前述の「波面収差」を打ち消すことができる。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）における実線（波面収差）と破線（位相シフトパターンによる波面の遅れ）の和、すなわち補正後の波面収差を示す。もとの波面収差（図２２（ａ）の上側部分）よりも格段に小さくなる。

図２３は本発明の実施の形態３における光ピックアップであり、「使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.８５で、光照射側基板厚０.１ｍｍの青色光記録媒体」と「使用波長６６０ｎｍ、ＮＡ０.６５で、光照射側基板厚０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体」と「使用波長７８５ｎｍ、ＮＡ０.５０で、光照射側基板厚１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体」をともに記録または再生、消去できる光ピックアップの概略構成を示す図であり、実施の形態１，２と異なる点は、青色光記録媒体としてＢlu−ray Ｄisc規格相当の「使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.８５、光照射側基板厚０.１ｍｍの青色光記録媒体」に記録または再生を行う点である。ＮＡが大きい分、約１.７倍の大容量化が可能である。

まず、使用波長４０５ｎｍ、ＮＡ０.８５で、光照射側基板厚０.１ｍｍの青色光記録媒体に記録または再生、消去する場合について説明する。波長４０５ｎｍの半導体レーザ１０１から出射した直線偏光の発散光は、コリメートレンズ１０２で略平行光とされ、偏光ビームスプリッタ１０３、トリクロイックプリズム１０４を透過し、偏向プリズム１０５で光路を９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７を不感帯透過し、対物レンズ１０８’に入射し、青色光記録媒体１０９ａ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。青色光記録媒体１０９ａから反射した光ビームは、往路とは反対回りの円偏光となり、再び略平行光とされ、１／４波長板１０６を通過して往路と直交した直線偏光になり、偏光ビームスプリッタ１０３で反射され、検出レンズ１１０で収束光とされ、光束分割手段１１１により複数の光路に偏向分割され受光素子１１２に至る。受光素子１１２からは、情報信号、サーボ信号が検出される。

次に、使用波長６６０ｎｍ、ＮＡ０.６５で、光照射側基板厚０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体に記録または再生、消去する場合について説明する。２０１は、半導体レーザ２０１ａ、偏光ホログラム２０１ｂおよび受光素子２０１ｃを一体化して構成されたホログラムユニットを示す。このホログラムユニット２０１の半導体レーザ２０１ａから出射された６６０ｎｍの光ビームは、ホログラム２０１ｂを透過し、コリメートレンズ２０２で略平行光とされ、赤色波長帯域の光は透過し、赤外波長帯域の光ビームは反射させるダイクロイックプリズム２０５を透過し、青色波長帯域の光は透過し、赤色および赤外波長帯域の光ビームは反射させるトリクロイックプリズム１０４によって偏向プリズム１０５の方向に反射され、偏向プリズム１０５によって光路が９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７の開口制限領域でＮＡ０.６５に制限されるとともに、波長選択性互換素子１０７のＮＡ０.６５以内を透過する光ビームは収差補正領域で１次回折され、対物レンズ１０８’に入射し、ＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。ＤＶＤ系光記録媒体１０９ｂから反射した光ビームは、偏向プリズム１０５、トリクロイックプリズム１０４で反射され、コリメートレンズ２０２で収束光とされ、ホログラム２０１ｂにより半導体レーザ２０１ａと同一キャン内にある受光素子２０１ｃ方向に回折されて受光素子２０１ｃに受光される。受光素子２０１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。

次に、使用波長７８５ｎｍ、ＮＡ０.５０で、光照射側基板厚１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体に記録または再生、消去する場合について説明する。２１１は、半導体レーザ２１１ａ、ホログラム２１１ｂおよび受光素子２１１ｃを一体化して構成されたホログラムユニットを示す。このホログラムユニット２１１の半導体レーザ２１１ａから出射された７８５ｎｍの光ビームは、ホログラム２１１ｂを透過し、コリメートレンズ２１２で平行光とされ、赤色波長帯域の光ビームは透過し、赤外波長帯域の光ビームは反射させるダイクロイックプリズム２０５で反射し、青色波長帯域の光ビームは透過し、赤色および赤外波長帯域の光ビームは反射させるトリクロイックプリズム１０４によって偏向プリズム１０５の方向に反射され、偏向プリズム１０５によって光路が９０度偏向され、１／４波長板１０６を通過し円偏光とされ、波長選択性互換素子１０７の開口制限領域でＮＡ０.５０に制限されるとともに、波長選択性互換素子１０７のＮＡ０.５０以内を透過する光ビームは収差補正領域で１次回折され、対物レンズ１０８’に入射し、ＣＤ系光記録媒体１０９ｃ上に微小スポットとして集光される。このスポットにより、情報の再生または記録、消去が行われる。ＣＤ系光記録媒体１０９ｃから反射した光は、偏向プリズム１０５、トリクロイックプリズム１０４、ダイクロイックプリズム２０５で反射され、コリメートレンズ２１２で収束光とされ、ホログラム２１１ｂにより半導体レーザ２１１ａと同一キャン内にある受光素子２１１ｃ方向に回折されて受光素子２１１ｃに受光される。受光素子２１１ｃからは、情報信号、サーボ信号が検出される。

本実施の形態３においては、青色光記録媒体はＮＡ０.８５であり、ＤＶＤ系光記録媒体ではＮＡ０.６５であり、ＣＤ系光記録媒体ではＮＡ０.５０である。この場合、実施の形態１，２での２段階の開口切換に対し３段階の開口切換が必要である。本実施の形態３では、φ（λ＝４０５ｎｍ）はアクチュエータ部１０８ｂに設けられた開口部１０８ｃで制限し、φ（λ＝７８５ｎｍ）の開口制限手段としては、実施の形態１で説明したものと同一特性のＣＤ開口制限領域が設けられてなる。そしてφ（λ＝６６０ｎｍ）の開口制限手段としては、光源から出射される光束の波長に応じて、図２４に示すように波長によって光束径を切り換える波長選択性回折特性を用いたＤＶＤ開口制限回折領域１０７ｆを、ＤＶＤ収差補正回折領域１０７ｄの周辺部に設けてなる。

そして回折溝としては、例えば実施の形態２で説明したＤＶＤ収差補正領域と同様の４レベルの階段形状を用いればよい。ＤＶＤ開口制限回折領域１０７ｆは、青色波長帯域と赤外波長帯域の光に対しては作用せず（０次光透過）、赤色波長帯域の光についてのみ１次回折させる。この回折光が、記録再生に用いられるＮＡ０.６５以下の光ビームによって集光されるスポットにフレア重畳しないように散乱させる。さらに光記録媒体で反射し、波長選択性互換素子１０７に戻ってきたときに、再度回折パターンによって回折される。この往復後の光ビームが受光素子に到達してしまうと、ノイズ光となってしまう。そこで回折格子を形成するパターンは受光素子上にスポット集光しないようにパターン設計することが望まれる。

本実施の形態３のように高ＮＡほど収差補正が有効であることを以下に説明する。使用波長がλ＝４０５ｎｍ、基板厚が０.１ｍｍの青色光記録媒体に対して良好な収差特性（図２５（ａ）参照）となるよう設計されたＮＡ＝０.８５青色対物レンズ１０８’を、使用波長はλ＝６６０ｎｍで厚さが０.６ｍｍのＤＶＤ系光記録媒体にＮＡ＝０.６５で無限系入射で用いたときに発生する波面収差を図２５（ｂ）に示す。図２５（ｂ）は横軸に入射瞳半径をとり、縦軸に波面収差を表す。図２５（ｂ）は位相差分布の２次元的な断面形状を表しているが、実際には縦軸（ＮＡ＝０）に関して回転対称な３次元的な分布となっている。

このようなＤＶＤ無限系の発生収差を補正するために、ＤＶＤ系光路を有限系で構成した場合を考えてみる。ＤＶＤ系において物体距離と波面収差の関係を図２６（ａ）に示す。物体距離３７ｍｍのあたりで、波面収差最小となり、波面収差形状を図２７（ａ）に示す。ＮＡ０.６７青色対物レンズ１０８でＤＶＤ有限系互換した場合に比べ物体距離が著しく短くなっており、部品レイアウトの制約となる。

同様に、使用波長はλ＝７８５ｎｍで厚さが１.２ｍｍのＣＤ系光記録媒体にＮＡ＝０.５０で無限系入射で用いたときに発生する波面収差を図２５（ｃ）に示す。ＣＤ系についても同様に物体距離と波面収差の関係を図２６（ｂ）に示す。物体距離２６ｍｍのあたりで波面最良（図２７（ｂ）参照）となるが、ＤＶＤ系に比べさらに物体距離が短い。

また、ＤＶＤ有限系、ＣＤ有限系はともに対物レンズシフトの影響が非常に大きい。ＤＶＤ有限系での対物レンズシフトと、ＣＤ有限系の対物レンズシフトの影響をそれぞれ図２８（ａ），（ｂ）に示す。トラッキング制御精度上、０.３〜０.４ｍｍを想定するべきであるが、ともに劣化度合いが大きく、一般に波面収差の上限値とされるマレシャル限界０.０７λｒｍｓを大きく越えている。以上のこととから、ＮＡ０.８５の青色光学系においては、ＤＶＤ系、ＣＤ系ともに無限系で構成する必要がある。

これに対し、本実施の形態３ではＤＶＤ、ＣＤともに無限系入射で最良スポットを形成するために各収差補正を行う機能、また開口制限を行う機能を備えた波長選択性互換素子１０７を具備してなる。対物レンズおよび波長選択性互換素子の回折パターン形状に関して具体的な数値事例を図２９に、また図３０（ａ），（ｂ），（ｃ）には、青色，ＤＶＤ，ＣＤの図２９の数値事例に対応したレンズ外形形状を示す。

得られた対物レンズと波長選択性互換素子を組み合わせた系の軸上波面収差は、青色については０.００７２λｒｍｓ、１次回折光を用いたＤＶＤ系については０.００１４λｒｍｓ、１次回折光を用いたＣＤ系については０.００１λｒｍｓであり、マレシャル限界０.０７λｒｍｓ以下に抑えられている。このときの波面形状は青色，ＤＶＤ，ＣＤの順に図２５（ａ）、図３１（ａ）、図３１（ｂ）と等価である。

実施の形態３の他の例として、ＤＶＤ開口制限回折領域１０７ｆの代わりに、波長に応じて、図３２のように透過／反射によって光束径を切り換える手段を用いてもよい。すなわち、図３３に示すような透過率特性を有するダイクロコートをＤＶＤ収差補正回折領域１０７ｄの周辺部に蒸着してＤＶＤ開口制限コート領域１０７ｇを形成してやることで、図３２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように青色波長帯域、赤外波長帯域の光については不感帯透過し、赤色波長帯域の光に対しては反射させることができる。この赤色波長帯域の反射光は、ＤＶＤ系受光素子に入射しノイズとなることを避けるために傾けて配置されてある。

前述の実施の形態３において、１／４波長板、波長選択性互換素子、対物レンズの順に配置されていたが、１／４波長板と波長選択性互換素子の順番は反対でもよく、さらに１／４波長板と波長選択性互換素子は一体化されてもよい。例えば、接着などの接合手段による一体化でもよく、あるいは１／４波長板の片面、あるいは両面に本実施の形態３の回折領域あるいは開口制限領域を形成してもよい。

図３４は本発明の実施の形態４における光情報処理装置の概略構成を示す透過斜視図である。

光情報処理装置である情報記録再生装置１０は光記録媒体２０に対して、光ピックアップ１１を用いて情報の記録または再生、消去の１以上を行う装置である。この実施の形態９において、光記録媒体２０はディスク状であって、保護ケースのカートリッジ２１内に格納されている。光記録媒体２０はカートリッジ２１ごと、挿入口１２から情報記録再生装置１０に矢印「入」方向へ挿入セットされ、スピンドルモータ１３により回転され、光ピックアップ１１により情報の記録や再生、あるいは消去が行われる。なお、光記録媒体２０は保護ケースに入れられている必要はなく裸の状態であってもよい。

この光ピックアップ１１として、前記実施の形態１〜３に記載された光ピックアップを適宜用いることができる。

本発明に係る光ピックアップとこれを用いた光情報処理装置は、物体距離の制約、対物レンズシフトによる影響を受けることなく、青色、ＤＶＤ系は０次回折（不感帯透過）し、ＣＤ系は１次回折する収差補正素子と、一枚の基板上にＣＤ収差補正、ＣＤ開口制限、ＤＶＤ収差補正、ＤＶＤ開口制限の波長選択性での４機能を集積化して、３波長において偏光光学系とこれを用いて各光記録媒体に対し良好なスポットを形成でき、光ピックアップとこれを用いた光情報処理装置に有用である。

本発明の実施の形態１における光ピックアップの概略構成を示す図 本実施の形態１における光記録媒体に集光時の波面収差で（ａ）は青色、（ｂ）はＤＶＤ系、（ｃ）はＣＤ系を示す図 本実施の形態１における物体距離と波面収差の（ａ）はＤＶＤ系光路、（ｂ）はＣＤ系光路での関係を示す図 本実施の形態１における（ａ）はＤＶＤ系光路の有限系、無限系での入射時、（ｂ）はＣＤ系光路の有限系、無限系での入射時、（ｃ）はＤＶＤ系光路の無限系入射の補正有無、（ｄ）はＣＤ系光路の無限系入射の補正有無の波面収差を示す図 本実施の形態１における（ａ）はＤＶＤ有限系での対物レンズシフト、（ｂ）はＣＤ有限系の対物レンズシフトと波面収差の関係を示す図 本実施の形態１における波長選択性互換素子の（ａ）は回折領域、（ｂ）はＣＤ収差補正回折領域の断面形状、（ｃ）はＣＤ開口制限回折領域の断面形状を示す図 本実施の形態１における波長選択性互換素子にＣＤ収差補正回折領域、ＣＤ開口制限回折領域を設けた（ａ）は青色光記録媒体、（ｂ）はＤＶＤ系光記録媒体、（ｃ）はＣＤ系光記録媒体の光束の透過特性を示す図 本実施の形態１における回折パターンの（ａ）は青色、（ｂ）はＤＶＤ、（ｃ）はＣＤの溝深さと透過率の関係を示す図 本実施の形態１における対物レンズの具体的データを示す図 本実施の形態１における図１０の数値事例に対応した（ａ）は青色、（ｂ）はＤＶＤ、（ｃ）はＣＤのレンズ外形形状を示す図 本実施の形態１の他の例である波長選択性互換素子にＣＤ開口制限コート領域を設けた（ａ）は青色光記録媒体、（ｂ）はＤＶＤ系光記録媒体、（ｃ）はＣＤ系光記録媒体の光束の透過特性を示す図 本実施の形態１の他の例である波長の透過特性を示す図 本実施の形態１における別の光ピックアップの概略構成を示す図 本実施の形態１における別の光ピックアップのＤＶＤ系、ＣＤ系の１つにしたホログラムユニットの概略構成を示す図 本実施の形態１における別の光ピックアップにより発生するコマ収差を示す図 本発明の実施の形態２における光ピックアップの概略構成を示す図 本実施の形態２における波長選択性互換素子にＤＶＤ収差補正回折領域を設けた（ａ）は青色光記録媒体、（ｂ）はＤＶＤ系光記録媒体、（ｃ）はＣＤ系光記録媒体の光束の透過特性を示す図 本実施の形態２におけるＤＶＤ回折パターンの溝深さと透過率の関係を示す図 本実施の形態２における対物レンズの具体的データを示す図 本実施の形態２における図１９の数値事例に対応した（ａ）は青色、（ｂ）はＤＶＤ、（ｃ）はＣＤのレンズ外形形状を示す図 本実施の形態２における波長選択性互換素子にＤＶＤ収差補正位相シフタ領域を設けた（ａ）は青色光記録媒体、（ｂ）はＤＶＤ系光記録媒体、（ｃ）はＣＤ系光記録媒体の光束の透過特性を示す図 本実施の形態２における（ａ）は波面収差（実線）と位相シフトパターンによる波面の遅れ（破線）、（ｂ）は補正後の波面収差を２次元曲線として示す図 本発明の実施の形態３における光ピックアップの概略構成を示す図 本実施の形態３における波長選択性互換素子にＤＶＤ収差補正領域の外周部にＤＶＤ開口制限回折領域を設けた（ａ）は青色光記録媒体、（ｂ）はＤＶＤ系光記録媒体、（ｃ）はＣＤ系光記録媒体の光束の透過特性を示す図 本実施の形態３における物体距離と波面収差の（ａ）はＤＶＤ系光路、（ｂ）はＣＤ系光路の関係を示す図 本実施の形態３における物体距離と波面収差の（ａ）はＤＶＤ系光路、（ｂ）はＣＤ系光路での関係を示す図 本実施の形態３における（ａ）はＤＶＤ系光路の有限系、無限系での入射時、（ｂ）はＣＤ系光路の有限系、無限系での入射時の波面収差を示す図 本実施の形態３における（ａ）はＤＶＤ有限系での対物レンズシフト、（ｂ）はＣＤ有限系の対物レンズシフトとの波面収差の関係を示す図 本実施の形態３における対物レンズの具体的データを示す図 本実施の形態３における図２９の数値事例に対応した（ａ）は青色、（ｂ）はＤＶＤ、（ｃ）はＣＤのレンズ外形形状を示す図 本実施の形態３における（ａ）はＤＶＤ系光路の無限系入射の補正有無、（ｂ）はＣＤ系光路の無限系入射の補正有無の波面収差を示す図 本実施の形態３における他の例である波長選択性互換素子にＤＶＤ収差補正領域の外周部にＤＶＤ開口制限コート領域を設けた（ａ）は青色光記録媒体、（ｂ）はＤＶＤ系光記録媒体、（ｃ）はＣＤ系光記録媒体の光束の透過特性を示す図 本実施の形態３におけるＤＶＤ開口制限コート領域に蒸着するダイクロコートの透過率特性を示す図 本発明の実施の形態４における光情報処理装置の概略構成を示す透過斜視図

符号の説明

１０ 情報記録再生装置
１１ 光ピックアップ
１２ 挿入口
１３ スピンドルモータ
１４ キャリッジ
２０ 光記録媒体
２１ カートリッジ
２２ シャッタ
１０１，２０１ａ，２１１ａ 半導体レーザ
１０２，２０２，２１２ コリメートレンズ
１０３ 偏光ビームスプリッタ
１０４ トリクロイックプリズム
１０５ 偏向プリズム
１０６ １／４波長板
１０７ 波長選択性互換素子
１０７ａ ＣＤ収差補正回折領域
１０７ｂ ＣＤ開口制限回折領域
１０７ｃ ＣＤ開口制限コート領域
１０７ｄ ＤＶＤ収差補正回折領域
１０７ｅ ＤＶＤ収差補正位相シフタ領域
１０７ｆ ＤＶＤ開口制限回折領域
１０７ｇ ＤＶＤ開口制限コート領域
１０８，１０８’ 対物レンズ
１０８ｂ アクチュエータ部
１０８ｃ 開口部
１０９ａ 青色光記録媒体
１０９ｂ ＤＶＤ系光記録媒体
１０９ｃ ＣＤ系光記録媒体
１１０ 検出レンズ
１１１ 光束分割手段
１１２，２０１ｃ，２１１ｃ 受光素子
２０１，２１１，２２１ ホログラムユニット
２０１ｂ，２１１ｂ.２２１ｂ ホログラム
２０３ カップリングレンズ
２０５ ダイクロイックプリズム

Claims (13)

1. 波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）の３つの光源と、前記各光源の出射光を光記録媒体に集光させるための対物レンズと、波長選択性互換素子とを有し、基板厚ｔ１（λ１），ｔ２（λ２），ｔ３（λ３）（ｔ１≦ｔ２＜ｔ３）の各光記録媒体に対して、情報の記録または再生を行う光ピックアップにおいて、
   前記波長選択性互換素子は、波長λ１，λ２の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ３の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ前記対物レンズからの出射光が基板厚ｔ３の光記録媒体に集光した際に発生する球面収差と逆極性の球面収差を発生させる回折パターンが形成されたことを特徴とする光ピックアップ。
2. 前記波長λ３の光源光は、波長選択性互換素子に無限系で入射することを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ。
3. 前記波長選択性互換素子の回折パターンは、波長λ３の光源光が斜め入射したときに光記録媒体上で発生するコマ収差と逆極性のコマ収差成分を球面収差成分に重畳させることを特徴とする請求項１または２記載の光ピックアップ。
4. 前記波長選択性互換素子の回折パターン周辺部に、第２の波長選択性回折パターンが施され、波長λ１，λ２の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ３の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ前記１次の回折光は、情報の記録または再生に用いるために光記録媒体上の集光スポットとは異なる位置に散乱することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
5. 前記波長選択性互換素子の回折パターン周辺部に波長選択性コートが施され、前記波長選択性コートは、波長λ１，λ２の光源光は透過し、波長λ３の光源光に対しては反射する透過率特性を有したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
6. 前記波長選択性互換素子のもう一方の面に形成された第３の回折パターンとして、波長λ１，λ３の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ２の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ対物レンズからの波長λ２の出射光が基板厚ｔ２の光記録媒体上に集光した際に発生する球面収差と逆極性の球面収差を発生させる回折パターンが形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
7. 前記波長選択性互換素子のもう一方の面に形成された位相シフタ面として、前記位相シフタ面は、波長λ１，λ３に対して２πの略整数倍となる位相差を与え、対物レンズからの波長λ２の出射光が基板厚ｔ２の光記録媒体上に集光した際に発生する球面収差と逆極性の球面収差を発生させる位相シフタパターンが形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
8. 前記波長選択性互換素子のもう一方の面の第３の回折パターン周辺部に、第４の波長選択性回折パターンが施され、波長λ１，λ３の光源光が入射した場合は０次の回折光を出射し、波長λ２の光源光が入射した場合は１次の回折光を出射し、かつ前記１次の回折光は、情報の記録または再生に用いるために光記録媒体上の集光スポットとは異なる位置に散乱されることを特徴とする請求項６または７記載の光ピックアップ。
9. 前記波長選択性互換素子のもう一方の面の第３の回折パターン周辺部に、波長選択性コートが施され、前記波長選択性コートは、波長λ１，λ３の光源光は透過し、波長λ２の光源光に対しては反射する透過率特性を有したことを特徴とする請求項６または７記載の光ピックアップ。
10. 前記光源の波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３）に対して、各波長の実効開口数ＮＡ（λ１），ＮＡ（λ２），ＮＡ（λ３）が、次の条件
    ＮＡ（λ１）＞ＮＡ（λ２）＞ＮＡ（λ３）
    を満足する対物レンズを用い、かつ前記対物レンズへ入射する各波長の入射光束径φ１，φ２，φ３が、次の条件
    φ１＝φ２＞φ３
    を満足することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
11. 前記光源から出射する光源光の使用波長に応じて、偏光状態を変化させる偏光素子を備え、前記偏光素子が、波長選択性互換素子と一体化されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光ピックアップ。
12. 前記光源は、波長λ２の光源と、波長λ３の光源が同一パッケージに集積され、前記波長λ２の光源は対物レンズと同一光軸上に配置され、前記波長λ３の光源は前記波長λ２の光源と略同一の光軸垂直面内に並列配置されたことを特徴とする請求項１〜１１記載の光ピックアップ。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光ピックアップを用いて、波長λ１，λ２，λ３の少なくともいずれか１つの光源光により光記録媒体に対し情報の記録・再生・消去の１以上を行うことを特徴とする光情報処理装置。

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