JP2005512255A - 光学走査装置 - Google Patents

Abstract

二層光記録担体を走査する光学走査装置である。該装置は、複屈折材料から形成された非周期位相構造（ＮＰＳ）素子（１４）において発生される光学経路長を変更する切り替え可能な液晶セル（１０）を含むような球面収差補償光学サブシステムを有する。

Description

この発明は、情報層を有する光ディスクのような光記録担体を走査するための光学走査装置であって、放射ビームを発生する放射源及び該放射源と上記情報層との間の光学経路に配置されて上記放射ビームを上記情報層上のスポットに収束させる対物レンズを有するような光学走査装置、並びに斯かる装置に使用するための光学素子に関する。本発明は、専らではないが、特には上記ビームが光ディスク内を進行して該ディスクの情報層に達するような異なる光路長（ここでは、情報層深度と呼ぶ）により発生される球面収差を補償する光学素子を含むような光学走査装置に関する。

大容量の光記録担体の生産に対する要求が存在する。従って、例えば４００ｎｍの放射ビームのような相対的に短い波長の照射ビーム、少なくとも０．７で例えばＮＡ＝０．８５のような大きな開口数（ＮＡ）の対物レンズ系、及び例えば８０μｍ厚のような薄い保護被覆層を使用した光学走査装置が望ましい。更に、容量は二層ディスクを設けることにより増加させることができる。上述した波長及びＮＡにおいては、可干渉クロストークを許容可能なレベルまで低減するために、少なくとも２０〜３０μｍの層分離が望ましい。補償対策無しでは、或る層から他の層への再焦点合わせの結果として球面収差が生じ、２００〜３００ｍλ（ｒｍｓ）の波面エラーを生じ、これは形成される光スポットの解像度を悪化させる。

球面収差補正を行うために、複合対物レンズの２又はそれ以上のレンズエレメントの間隔を機械的に調整することは知られている。補償を行う他の方法は、放射源に対しコリメータレンズの位置を機械的に調整して、照射ビームが平行化される代わりに収束又は発散するビームとして対物レンズに入射させることによるものである。これら方法の各々は、走査装置の光学系で発生される球面収差を、走査されている光ディスク内で発生されたものは少なくとも略相殺するように補償する。

しかしながら、球面収差補償を行うために機械的アクチュエータを使用することは、特に焦点制御行うために別の機械的アクチュエータが使用される場合には、相対的に複雑となり、従って当該走査装置の製造コストを増加させる。

他の既知の光学走査装置は国際特許出願公開第WO-A-124174号に記載されており、該装置においては、照射ビームが、入射光の偏光を選択的に９０度回転させるツイストネマチック（ＴＮ）液晶セルを通過させられる。収束状態において、該ビームは次いで球面収差を生成するために複屈折板を通過させられる。該複屈折板はＴＮセルの状態に依存して異なる量の球面収差を生じさせ、異なる情報層の厚さを補償する。

ヨーロッパ特許出願公開第EP-A-08605037 A1及び応用光学第３８巻（１９９９年）第3778〜3786頁のR. Katayamaによる記事は、ＤＶＤ記録担体を走査するように設計された対物レンズを、ＣＤ記録担体を走査するためにも適したものにするために使用される位相構造を記載している。一般的に、ＤＶＤ記録担体は、ＣＤのような前世代の記録担体を走査するために使用されるものとは異なる波長及び開口数の放射ビームを用いて走査されるように設計されている。位相構造は、各ゾーンがＤＶＤ波長（６６０ｎｍ）に対して２πの倍数に等しいような位相ステップを生じさせ、かくして該位相構造がこの波長において何の影響も有さなくするようなステップ状の非周期的環状ゾーンからなっている。しかしながら、ＣＤの読み出しに対しては、異なる波長（７８５ｎｍ）が使用される。結果として、上記のステップ状の位相形状（プロファイル）は、この場合は、２πの倍数に最早等しくないような位相ステップとなる。斯かるステップの高さ及びゾーン幅の適切な設計により、ＣＤの場合において上記位相構造により生じる位相は、ディスク厚の相違に起因する波面収差を回折限界以下に減少させる。該構造は２つの離散的な波長に対して波面収差を低減することができる。

特許出願公開第２００１−１７４６１４号公報は、２つの異なる波長で動作することが可能な光学走査装置用の光学ヘッドのための回折装置を記載している。該回折装置は、一様な屈折率を持つ材料中に埋め込まれた複屈折材料から形成された回折格子を含んでいる。上記複屈折材料は、周期的な構造に、即ち当該エレメントにわたり規則的に繰り返す構造に配列される。或る波長に対しては、当該装置は光を或る偏光において回折無しで透過させる一方、直交的偏光においては光を回折させる。第２波長に対しては、光は両偏光において回折無しで透過される。１つの欠点は、上記の周期的位相構造、即ち回折格子の製造が、当該構造内の多数のエレメントにより比較的複雑である点にある。更に、回折のために、一定量の入射光が浪費されることになり、これは好ましくはない。

２００１年、台湾における光メモリに関する国際シンポジウムの技術ダイジェスト、第３０８〜３０９頁におけるLee他による論文は、ＨＤ／ＤＶＤ互換性用の偏光位相補償器（ＰＰＣ）と呼ばれるものを含んだ光ディスクシステムを記載している。該ＰＰＣは、ガラス板の間に挟まれると共に、４０５ｎｍの波長及び第１偏光を持つ第１ビームには影響しないが、６５０ｎｍの波長及び第２の直交偏光を持つ第２ビームにおいて球面収差補償を行うような環状位相構造を含む複屈折材料を含んでいる。該ＰＰＣが光学走査装置にどの様に統合されるかは記載されていないが、異なる波長のビームを供給するために２つの異なる放射源が使用されると思われる。

本発明の目的は、光学走査装置における非機械的波面収差補償システムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、情報層を有する光学記録担体を走査する光学走査装置であって、該装置が、放射ビームを発生する放射源と；前記放射源と前記情報層との間の光路内に配置されて、前記放射ビームを前記情報層上のスポットに収束させる対物レンズと； 第１状態と第２状態との間で切り換え可能な電気光学エレメントであって、前記第１状態においては当該電気光学エレメントを出射する光の偏光が該電気光学エレメントに入射する光の所定の偏光に対して第１の向きを有する一方、前記第２状態においては前記電気光学エレメントを出射する光の偏光は前記所定の偏光に対して第２の異なる向きを有し、これにより、前記電気光学エレメントの状態に依存して第１の偏光を主に有する放射の第１ビームと第２の直交する偏光を主に有する放射の第２ビームとを供給するような電気光学エレメントと；前記第１放射ビーム及び前記第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントであって、該光学エレメントは偏光感受性材料から形成された部分を含むと共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有し、該表面はステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンは異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらすような光学エレメントとを有するような光学走査装置が提供される。

波面収差補償は、比較的高い開口数装置においてさえも、斯様な波面収差補償を行うための機械系を要すること無しに、光ディスク内の又は光ディスク間の種々の深さにおける情報層に対して提供することができる。また、２以上の放射源の必要性もない。

同様の効果は、ステップ状構造の代わりに複屈折レンズを用いて達成することができることにも注意を要するが、本発明の構成は、非点収差を低減することができる点で利点を有する。即ち、一般的に、複屈折レンズは、光線が当該レンズの光軸に平行に進行しないので非点収差の波面収差を生じてしまう。

本発明による位相構造は非周期的なパターン、即ち半径方向に規則的に繰り返すことがないようなパターンを有し、従って回折次数（diffraction orders）を形成することがない点に注意すべきである。結果として、該位相構造は回折格子に固有の損失を有することがない。上記光学エレメントは、放射エネルギの目立った損失無しに所要の波面変更を生じさせる。

本発明の他の態様によれば、情報層を有する光学記録担体を走査する光学走査装置であって、放射ビームを発生する放射源と；前記放射源と前記情報層との間の光路内に配置されて前記放射ビームを前記情報層上のスポットに収束させる対物レンズであって、この対物レンズが、前記光学記録担体の走査中に該対物レンズの位置のサーボ式補正を実行するための機械的作動手段に取り付けられているような対物レンズと；第１の偏光の放射を有する第１放射ビーム及び第２の直交偏光の放射を有する第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントであって、該光学エレメントは偏光感受性材料から形成された部分を含むと共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有し、該表面はステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンは異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらすような光学エレメントとを有し、前記光学エレメントが前記機械的作動手段内に前記対物レンズに対して固定された関係で共通に取り付けられているような光学走査装置が提供される。

斯様な共通の取り付けにより、前記対物レンズの作動状態に依存することなく、走査の間において該対物レンズに対する前記光学エレメントの心出しが達成される。

上記光学エレメントは、好ましくは、位相構造を有する前記表面が空気と境界を接するようにして設けられる。これは、当該光学エレメントの重量を軽減し、これにより、一般的に高い周波数で動作する前記機械的作動手段の動作を助けるのを可能にする。

本発明の他の態様によれば、第１の偏光の放射を有する第１放射ビーム及び第２の直交偏光の放射を有する第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントであって、該光学エレメントが偏光感受性材料から形成された部分を含むと共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有し、該表面がステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンが異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらし、前記表面が空気と境界を接しているような光学エレメントが提供される。

上述したように、空気との境界面を設けることにより、当該光学エレメントの重量を軽減することができる。更に、一般的に、前記環状ゾーンのステップ高を、上記表面が被覆材料と境界を接するような場合に要するものと比較して減少させることができる。

本発明の他の態様によれば、第１の偏光の放射を有する第１放射ビーム及び第２の直交偏光の放射を有する第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントであって、該光学エレメントが、偏光感受性材料から形成されると共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有する部分であって、前記表面がステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンが異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらすような部分と；非偏光感受性材料から形成された部分であって、該非偏光感受性部分が前記表面に沿って前記偏光感受性部分と境界を接するような部分とを有し、前記偏光感受性材料が前記第１偏光の放射に対して第１屈折率を示すと共に前記第２偏光の放射に対して第２屈折率を示し、前記非偏光感受性材料の屈折率が前記第２屈折率と整合するように選択されるような光学エレメントが提供される。

これは、実施例のうちの、上記位相構造を有する表面が被覆材料と境界を接するような特別な場合である。上記屈折率を整合させることにより、所要のステップ高を大幅に低減することができる。

本発明のフィーチャ及び利点は、添付図面を参照する本発明の好ましい実施例の例示としての下記詳細な説明から明らかとなるであろう。

図１は、光記録担体を走査するための、例示として説明される本発明の各実施例に基づく装置に共通な構成要素の概略図である。当該記録担体は、例えば、以下に例示として説明するように光ディスクである。

該光ディスクＯＤは、基板１と透明層２とを有し、これらの間には少なくとも１つの情報層３が配置されている。二層光ディスクの場合は、図示されているように、２つの情報層３及び４が、透明層２の背後に、当該ディスク内において異なる深さで、且つ、２０μｍ（±１０μｍ）分離されて配置されている。他の透明層５が上記２つの情報層を分離している。約８０μｍ（±３０μｍ）の厚さを持つ透明層２は最上側の情報層３を保護する機能を有する一方、機械的支持は基板１により提供される。

情報は、当該光ディスクの情報層３及び４に、図示せぬ略平行で同心的又は螺旋状のトラックに配置される光学的に検出可能なマークの形態で記憶することができる。斯かるマークは、例えばピットの形態、又は周囲とは異なる反射係数若しくは磁化方向を持つ領域の形態、又はこれら形態の組合せ等の、如何なる光学的に読み取り可能な形態とすることもできる。

当該走査装置は、半径方向に移動可能なアーム上に取り付けられた光ピックアップユニット（ＯＰＵ）を含んでいる。該ＯＰＵは、ディスクＯＤ以外の図１に図示する全ての構成要素を含んでいる。例えば単一の半導体レーザである放射源６は、４００ｎｍ（±１０ｎｍ）の波長を持つ発散する放射ビーム７を放出する。本例では偏光ビームスプリッタであるビームスプリッタ８は、レンズ系内で上記放射を反射する。該レンズ系は、コリメータレンズ９、対物レンズ１２及びコンデンサレンズ１１を含んでいる。対物レンズ１２は、該対物レンズ１２の位置の半径方向トラッキングサーボ及び焦点サーボ調整を行うために、（図示せぬ）機械アクチュエータ内に保持された可動マウント１３に剛性的に取り付けられている。また、当該装置は、後に更に詳細に説明されるべきツイストネマチック（ＴＮ）液晶セル１０及び位相修正器１４も含んでいる。修正器１４はマウント１３に剛性的に取り付けられている。

コリメータレンズ９は、発散する放射ビーム７を屈折して、コリメートされたビーム１５を形成する。コリメートされとは、複合対物レンズが略零に等しい垂直方向倍率を有するような略平行なビームを意味しようとするものである。コリメートされたビームの必要性は、この例におけるように、複屈折位相修正器１４及びコリメートされたビーム経路内の他の光学エレメントが、理想的にコリメートされた（平行な）ビームで使用するように設計されている場合に生じる。しかしながら、当該ビーム経路内のエレメントが発散的又は収束的ビームで使用するように設計されている場合は、コリメートされたビームは必要ではない。理想的にコリメートされたビームで使用するように設計されたエレメントを使用していても、当該光学系に必要とされる効率に依存して、当該ビームに対する或る程度の誤差は許容される。本光学系に望まれる効率を達成するために、好ましくは、上記のコリメートされたビームは０．０２より小さな対物レンズの絶対倍率となるような輻輳（vergence）を有するものとする。

対物レンズ１２は上記のコリメートされたビーム１５を、高開口数（この例では０．８５）を持つ収束ビーム１６に変換し、該収束ビームは走査されている情報層３又は４上のスポット１８となる。

情報層３又は４により反射された収束ビーム１６の放射は、発散する反射ビーム２０を形成し、該発散ビームは順方向収束ビームの光路に沿って戻る。対物レンズ１２は反射ビーム２０を略コリメートされた反射ビーム２１に変換し、ビームスプリッタ８は順方向及び反射ビームを、反射ビーム２１の少なくとも一部をコンデンサレンズ１１に向かって透過させることにより分離する。

コンデンサレンズ１１は入射ビームを検出系上に焦点が合わされる収束反射ビーム２２に変換する。該検出系は、複数の検出器エレメントが使用されるものであるが、全体として単一のエレメント２３として示されている。該検出系は上記放射を捕捉し、該放射を電気信号に変換する。これら信号のうちの１つは情報信号２４であり、該情報信号の値は、走査されている情報層から読み取られた情報を表す。他の信号は焦点エラー信号２５であり、該焦点エラー信号の値は、スポット１８と走査されている対応する情報３、４との間の軸方向の高さの差を表す。他の信号はトラッキングエラー信号２６であり、該トラッキングエラー信号の値は走査されているトラックからの上記スポットの半径方向のズレを表す。信号２５及び２６は、走査中にマウント１３の位置を制御する焦点サーボ及びトラッキングサーボ機械アクチュエータに各々入力される。

ＴＮセル１０に入力される他の信号は、球面収差制御信号３０である。該球面収差制御信号３０は、現在走査されている光ディスクにおける選択された情報層３又は４を表す。

図２Ａ及び図２Ｂは、球面収差補償光学系の一部を形成する構成要素を含む、本発明の一実施例を概略図示している。ＴＮセル１０は２つの平坦な透明プレートの間に介挿された液晶層からなる平坦なセルであり、これらプレートは当該ＴＮ液晶セル１０の電極を形成するように内側表面上に形成された導電性透明層を有している。ＴＮ液晶セルの従来技術において知られているように、上記電極層に加えて、これら電極の液晶層に隣接する表面はアライメント材料により被覆されている。液晶セル１０の一方の側の該材料は、該液晶セルの他方の側における上記材料が液晶分子を整列させる向きの方向とは垂直な向きに液晶分子を整列させる。従って、当該セル１０がオフ状態の場合、当該液晶セルの両側の間においては、該液晶層の体積内に９０度の捻りが形成される。該液晶セル１０は、球面収差制御信号３０により制御される電圧源に接続されている。スイッチオンされた場合、該電圧源は液晶セル１０をオン状態に切り換え、該状態において液晶分子は対物レンズ１２の光軸に概ね平行に整列される。液晶セル１０のオフ状態においては、当該液晶セル１０を通過する際に入射する放射の偏光は９０度にわたり回転される。逆に、オン状態においては、液晶セル１０は該セル１０を通過する放射の偏光には何の影響も有さない。

ＴＮ液晶セル１０における液晶層は、典型的には４ないし６μｍと、比較的薄い。それに対応して、当該球面収差補償光学系の応答速度も速く、該セルはオン状態とオフ状態との間を１０ないし５０ｍｓ内で切り替わる。

当該球面収差補償光学系の他の構成要素は、受動位相修正器１４Ａである。該位相修正器１４Ａは、光軸に沿って整列された分子を持つ硬化液晶化合物のような、線形複屈折材料から形成される。該位相修正器１４Ａにおいて発生される球面収差補償波面収差（当該複屈折材料中の光路長に依存する）は、ＴＮ液晶セル１０をスイッチングすることにより２つの離散状態の間で可変である。該位相修正器１４Ａの屈折率は、入射する放射の偏光に伴いΔｎ＝ｎ_ｏ−ｎ_ｅだけ変化する。当該複屈折位相修正器の屈折率は入射放射の偏光が該修正器の光軸に垂直な場合はｎ_ｏであるが、該屈折率は入射放射の偏光が該修正器の光軸に平行な場合はｎ_ｅとなる。

四分の一波長リターダ板のような偏光回転エレメント１４Ｂが、複屈折位相修正器１４Ａと光ディスクＯＤとの間に介挿され、これにより、偏光ビームスプリッタ８において反射ビームと入射ビームとの間の偏光の９０度回転を生じさせることにより、当該装置の偏光ビームスプリッタ８との組合せの光学的効率を改善する。

ここで、オフ状態におけるＴＮ液晶セル１０を図示する図２Ａを参照すると、放射源６により発生された符号１０４で示す入射ビームは、先ず、Ｐ型偏光の偏光ビームスプリッタ８を通過する。ＴＮ液晶セル１０を通過する際に、上記入射ビームの偏光はＳ型偏光へと回転される。該ビームは複屈折位相修正器１４Ａを通過するが、この場合、該複屈折位相修正器１４Ａはｎ_ｏなる屈折率を示す。何故なら、該複屈折位相修正器１４Ａの光軸はＰ方向に整列されているからである。次いで四分の一波長板１４Ｂを通過する際に、上記入射ビームの偏光は右手円偏光へと修正され、そして、該入射ビームは光ディスク１において走査されている情報層３又は４から反射される。これにより、反射ビームの偏光は左手円偏光に変化され、四分の一波長板１４Ｂを通過する際にＰ型偏光に変化される。

複屈折位相修正器１４Ａを通過する際に、上記反射ビームはｎ_ｅなる屈折率を受け、オフ状態のＴＮ液晶セル１０を通過する際に、前記Ｐ型偏光は該ＴＮ液晶セル１０の９０度の回転効果によりＳ型偏光に変化される。偏光ビームスプリッタ８は、Ｓ型偏光状態の上記反射ビームの殆どを、符号１０６により示すビームとして検出器２３に向かって反射する。

ここで、図２Ｂを参照すると、図２Ａに関する説明が当てはまるが、この場合はＴＮ液晶セル１０が球面収差制御信号３０によりオン状態に切り換えられている。かくして、該ＴＮ液晶セル１０に入射する放射の偏光は、セル１０を通過することによっては影響されない。従って、複屈折位相修正器１４Ａを通過する際に該ビームはＰ型偏光状態に留まり、ｎ_ｅなる屈折率を受ける。これにより、修正器１４Ａは、図２Ａに関して説明したＴＮ液晶セル１０のオフ状態において発生された波面収差のパターンとは異なるパターンの波面収差を発生する。これに対応して、反射ビームが該複屈折位相修正器１４Ａを通過する際には、該ビームはＳ型偏光状態であって、ｎ_ｏなる屈折率を受け、ここでも、ＴＮ液晶セル１０がオフ状態であった場合に発生されたものとは異なるパターンの波面収差を発生する。上記反射ビームが偏光ビームスプリッタ８に出会う場合、該反射ビームはＳ型偏光であり、該偏光ビームスプリッタ８は該ビームの殆どを検出器２３に向かって反射する。

このように、ＴＮ液晶セル１０を切り換えることは、光ディスクに入射するビームの波面の形状の差を生じさせる。位相修正エレメント１４Ａにおいて発生される異なる波面収差は、ビームが前記透明層２、５を通過することにより発生される球面収差を補償するために使用される。このようにして、本例における二層光ディスクにおいて当該走査装置により読み取られるために要する情報層の２つの異なる深さにも拘わらず、該ディスクの情報層３及び４の各々において改善された解像度を達成することができる。

図３は、二層ディスクの情報層３及び４の各々を約４００ｎｍで走査する図１の構成において使用するための位相修正器１４Ａ上のステップ型環状ゾーンから形成される非周期的位相構造（ＮＰＳ）表面１００の一例を示している。該位相修正器は、当該ＮＰＳの少なくとも一方の側で空気と接するような物理的に一様な複屈折材料から形成されている。反対側は、空気と接することができるか、又はガラス板のような平坦な基板上に形成することができる。当該ディスクは８０μｍの透明被覆層２及び２０μｍの層分離を有している。レンズ１２の入力瞳孔径は３ｍｍ（即ち、光軸ＯＡからの半径距離は０から１．５ｍｍまで変化する）であり、ＮＡ＝０．８５である。

当該スポットが８０μｍなる深度で情報層３上に合焦される一方、当該レンズが１００μｍなる情報層深度に最適化されている場合を考察しよう。小さな情報層深度の結果、図４Ａに示すような球状波面収差光路差Ｗ(ρ)が生じ、これは、
Ｗ(ρ)＝λｆ(ρ) （１）
により与えられ、ここで、
ｆ(ρ)＝0.17138ρ²−0.43388(6ρ⁴−6ρ²)−0.08569(20ρ⁶−30ρ⁴＋12ρ²) （２）
であり、ρは相対的な瞳孔の座標である。当該レンズ設計においては（0.17138）なるぼかし（defocus）定数が、ｆ(1)＝0.2πｆ(ρ)が情報層深度の変化により生じる波面位相となるように選択されていることに注意されたい。上記波面収差の光路差の二乗平均（ＯＰＤ(rms)）は１９４ｍλである。

当該ディスクにおいて発生される球面収差を補償するために、該球面収差を近似する波面ズレを発生するようなゾーンを有するＮＰＳが使用される。これらゾーンは、当該エレメントの光軸に対する垂面に対して同心的に配置された平坦な環状領域である。各ゾーンの同一の部分（例えば、外周、中央又は内周）において、（当該放射の一方の偏光に対して）発生される波面ズレは補償されるべき位相収差と最も密に対応する。即ち、各ゾーンの他の部分では、より大きな（低減はされているが）収差が残存する。更に、ステップ高は、他の偏光状態に対して、斯かるゾーンの各々により２πの倍数の位相が発生されるように選定される。解説目的の本実施例においては、ｎ_ｏ＝１．５とすると共に、ｎ_ｅ＝１５／９＝1.6667とし、従って、
ｈ_ｅ＝λ／(ｎ_ｅ−１)＝０．７２μｍ （３）
なるステップ高増分が使用される。結果として、高さｍｈ_ｅ（ｍは整数）のステップは、常光線に対して、
Φ_o,m＝ｍ２πｈ_ｅ(ｎ_ｏ−１)／λ＝ｍ２π（９／１０） （４）
に等しい位相を生じる。

ゾーンの数は２つの競合する規準に基づいて選択されるが、第１の規準は所望の量の
波面収差補正を行うためにゾーンの数を増加させることであり、第２の規準は装置の製造の効率を上昇させるためにゾーンの数を減少させることである。ゾーンの数は、好ましくは、５ゾーンと２５ゾーンとの間に、より好ましくは、１０ゾーンと２０ゾーンとの間に選択される。本例においては、ゾーンの数は１３となるように選択され、各ゾーンは表１に示すような半径方向の広がりを有している。

表１は、ＮＰＳにおける１３のゾーンの各々の最外側点（ｒ_１ないしｒ_１３）の相対瞳孔座標を、各ゾーンにおいて使用されるステップ高増分の数ｍ及び対応する相対位相と共に示している。この実施例において、各ゾーンに対して使用されるステップ高増分の数ｍは、最大の位相ズレを発生するゾーンが最少の厚さであり、最小の位相ズレを発生するゾーンが最大の厚さとなるように各々選定されている。斯様な選択により、当該ＮＰＳのゾーンの厚さの変化を、ステップ高増分により乗算されるゾーンの数の半分未満（この場合は、４．３μｍ）に構成することができることに注意されたい。

図４Ｂは、上述した構造を用いて補償された波面収差を示している。波面収差は１９４ｍλ(rms)から３７ｍλ(rms)に低減され、これは動作波長における回折限界より充分に小さく、かくして、回折が制限されたスポットサイズが得られる。

図５は本発明の他の実施例を示し、該実施例においては複屈折位相修正エレメント２１４Ａが四分の一波長リターダ板２１４Ｂと一体にされ、これら２つのエレメントは平坦な界面において一緒に接着されている。位相修正器２１４Ａは図３に示したものと類似の非周期的位相構造２００を含んでいる。

図６は本発明の他の実施例を示し、該実施例において、波面収差は、単一の屈折率のみを有するもののような非偏光感知材料からなる部分３０２と統合された複屈折材料３１４Ａからなる部分を含むような位相修正器により発生される。非周期的位相構造面３００は部分３１４Ａと部分３０２との間の境界面を形成する。この場合、各ゾーンは表１に示したような半径方向の広がりを占めるが、ステップ高は、ステップ高増分が、
ｈ_ｅ＝λ／(ｎ_ｅ−ｎ_１) （５）
により定義されるように増加されており、ここで、ｎ_１は上記非偏光感知材料の屈折率である。解説目的の本例では、ｈ_ｅ＝７．１９μｍ、ｎ_１＝１．４５、ｎ_ｏ＝１．５及びｎ_ｅ＝１．５０５６とする。

この実施例における位相修正器も、四分の一波長リターダ板３１４Ｂと一体にされ、部分３１４Ａと部分３１４Ｂとは平坦な境界面を介して接着されている。

図７は本発明の更に他の実施例を示し、該実施例において複屈折位相修正器４１４Ａは、部分４１４Ａの複屈折材料の常光屈折率ｎ_ｏに整合する屈折率を持つような非偏光感知材料からなる部分４０２と一体化されている。一方の偏光において整合する上記屈折率のため、当該非周期的位相構造表面の境界４００は、ステップ高とは無関係に、一方の偏光における光に対して見えなくなる。

２つの屈折率を整合させる、即ちｎ_１＝ｎ_ｏとすることにより（ここで、ｎ_１は前記非偏光感知材料の屈折率である）、ステップ高の選択の大きな自由度が得られる。図７に示す構成には他の規準が適用されている。即ち、ステップ高を最小に維持して、当該非周期的位相構造に必要とされる複屈折材料の量を低減する。各ゾーン高を選択するために使用される式は下記の通りである：

Ｈ＝{Ｗ(ρ_ｓ)／(ｎ_ｅ−ｎ_１)}＋{ｑλ／(ｎ_ｅ−ｎ_１)} （６）
ここで、ρ_ｓは当該ゾーンの選択された部分（例えば、外周、中央又は内周）における相対瞳孔座標であり、ｑは整数（…,-2,-1,0,1,2,…）であって、本実施例ではステップ高を低減するために零である。

この実施例では、ゾーンは一定となるステップ高増分を有するように配置されているが、これは必要ではない。上記屈折率の整合により、ステップ高増分の不規則な変化も使用することができる。この実施例では、使用されるステップ高の（一定の）増分はｈ_ｅ＝λ／１０(ｎ_ｅ−ｎ_ｏ)＝０．２４μｍである。更に、ゾーンの数及び半径方向の配置は、前の実施例のものと同一である。各ゾーンにおいて選択されたステップ高増分の数ｎは下記の表２に示されている。

この実施例におけるステップ高増分は図６に示した実施例のものよりも大幅に小さく、更に、使用される合計のステップ高は図３に示された実施例よりも小さいことに注意されたい。最大の位相ズレは、最も厚いゾーンにより発生される。

湾曲した位相表面にそって境界を接する同様に整合された屈折率（ｎ_ｅ＝ｎ_ｏ）を持つ凸型複屈折レンズの代わりにステップ型の環状周期位相構造を使用する利点は、本発明によるエレメントによれば、光軸に対して垂直な各ゾーン表面の平坦な配置及び当該エレメントがコリメートされたビーム内に配置されることにより、非点収差が生じない点にあることに注意されたい。

この実施例においては、四分の一波長リターダ４１４Ｂは位相修正器４１４Ａと一体にされ、これら２つの部分は平坦な境界面を介して接着される。

図６及び７に図示された実施例の場合、四分の一波長リターダ板と一体にされることに加えて、位相修正器３１４Ａ、４１４Ａは前記ＴＮセルとも一体にすることができることに注意されたい。この場合、当該ＴＮセルの液晶層は、好ましくは、非偏光感知部分３０２、４０２と、透明な平坦な被覆プレートとの間に挟持される。

本発明は、例えば約４００ｎｍの波長の放射ビームのような比較的短い波長の放射ビームを使用して、光ディスクにおける高い開口数のビームを用いて、且つ、読み取られる光ディスクにおける情報層の変化する深度に対してさえも球面収差補償を実行するために機械的アクチュエータ又は複屈折レンズを使用することなしに、高容量の光ディスクを読み取ることを可能にすることが分かるであろう。

上記においては、球面収差の補正を参照したが、本発明は他の型式の波面収差補正に関しても使用することができることに注意されたい。例えば、コマ波面収差を補正することができるＮＰＳパターンを使用することができる。この場合、例えばＴＮセルの一方の状態における光ディスクの過度の傾斜の検出に応答して、該ＴＮセルを切り換える結果、コマに近いような異なる量の波面収差が発生される。同様に、非点収差を補正するためにＮＰＳパターンを使用することができ、その場合において、ＴＮセルの２つの異なる状態において非点収差を補正するために異なる程度の波面ズレを発生させることができる。

上述した実施例においては、入射放射の偏光を９０度にわたり選択的に回転させるためにＴＮ液晶セルが使用されたが、同様の（光学系の複雑さ及び効率に関しては余り最適ではないが）機能を、偏光回転エレメントを省略し、その代わりに複屈折及び／又はビームスプリッタの軸に対して４５度の向きで放射を放出する単一の放射源、又は所要の偏光の各々において直角に偏光された放射を放出する２つの別個の放射源の何れかを使用することにより、設けることができる。この場合、所要の球面収差補正は、例えば検出器におけるスイッチ可能な偏光選択性フィルタにより、選択制御信号に従って選択することができる。他の例として、２つの斯様な放射源を設ける場合は、これら放射源は選択制御信号に従って選択的に駆動することができる。

図１においては、対物レンズは１つの平凸レンズエレメントを有するものとして示されているが、該対物レンズはもっと多くのレンズを有することができると共に、凸凸レンズ又は凸凹レンズのような他のレンズ型式を使用することもできる。また、上記対物レンズは透過若しくは反射で作用するホログラム、又は当該放射ビームを伝達する導波器から放射を導出する回折格子を有することもできる。

本明細書では、“環状”なる用語は完全な円対称性を呈する領域に限定することを意図するものではなく、一実施例においては前記ＮＰＳの環状ゾーンは斯様な対称性を呈するが、他の実施例では斯かるゾーンは完全な円対称性からずれてもよい。

上述した実施例は、本発明の解説的例と理解すべきである。本発明の他の実施例も考えられる。或る実施例に関して記載された如何なるフィーチャも、前記実施例の他のものにおいても使用することができると理解するべきである。更に、上記には記載しなかった均等物及び変形例も、添付請求項に記載された本発明の範囲から逸脱することなしに使用することができる。

図１は、本発明の実施例に基づいて構成された光学走査装置の概念図である。 図２Ａは、図１の構成で使用される光学構成要素の概念図である。 図２Ｂも、図１の構成で使用される光学構成要素の概念図である。 図３は、本発明の第１実施例による位相修正エレメントの断面図である。 図４Ａは、補償前の波面収差を示す。 図４Ｂは、補償後の波面収差を示す。 図５は、本発明の第２実施例による位相修正エレメントの断面図である。 図６は、本発明の第３実施例による位相修正エレメントの断面図である。 図７は、本発明の第４実施例による位相修正エレメントの断面図である。

Claims (18)

1. 情報層を有する光学記録担体を走査する光学走査装置において、
   放射ビームを発生する放射源と、
   前記放射源と前記情報層との間の光路内に配置されて、前記放射ビームを前記情報層上のスポットに収束させる対物レンズと、
   第１状態と第２状態との間で切り換え可能な電気光学エレメントであって、前記第１状態においては当該電気光学エレメントを出射する光の偏光が該電気光学エレメントに入射する光の所定の偏光に対して第１の向きを有する一方、前記第２状態においては前記電気光学エレメントを出射する光の偏光は前記所定の偏光に対して第２の異なる向きを有し、これにより、前記電気光学エレメントの状態に依存して第１の偏光を主に有する第１放射ビームと第２の直交する偏光を主に有する第２放射ビームとを供給するような電気光学エレメントと、
   前記第１放射ビーム及び前記第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントであって、該光学エレメントは偏光感受性材料から形成された部分を含むと共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有し、該表面はステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンは異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらすような光学エレメントと、
   を有することを特徴とする光学走査装置。
2. 請求項１に記載の光学走査装置において、前記波面収差補償の差が、球面収差に近いことを特徴とする光学走査装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学走査装置において、前記第２放射ビームが所定の波長からなる場合に、前記波面収差補償が前記第２放射ビームに対して略零であることを特徴とする光学走査装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の光学走査装置において、前記光学エレメントが当該装置内に前記第１及び第２ビームをコリメートされた状態で入力するように配置されていることを特徴とする光学走査装置。
5. 請求項４に記載の光学走査装置において、当該装置がコリメータレンズを有し、前記光学エレメントが該コリメータレンズと前記対物レンズとの間に配置されていることを特徴とする光学走査装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の光学走査装置において、四分の一波長リターダの効果を持つ部分を更に有していることを特徴とする光学走査装置。
7. 請求項６に記載の光学走査装置において、前記リターダの部分が前記偏光感受性部分に平坦な境界面に沿って取り付けられていることを特徴とする光学走査装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の光学走査装置において、非偏光感受性材料から形成された部分を更に有し、該非偏光感受性部分が前記表面に沿って前記偏光感受性部分と境界を接していることを特徴とする光学走査装置。
9. 請求項８に記載の光学走査装置において、前記偏光感受性材料が前記第１偏光の放射に対して第１屈折率を示すと共に前記第２偏光の放射に対して第２屈折率を示し、前記非偏光感受性材料の屈折率が前記第２屈折率と整合するように選択されることを特徴とする光学走査装置。
10. 請求項１ないし９の何れか一項に記載の光学走査装置において、前記表面が５と２５との間のゾーンを含んでいることを特徴とする光学走査装置。
11. 請求項１ないし１０の何れか一項に記載の光学走査装置において、当該装置は２つの情報層を有する多層光学記録担体を走査するように構成され、該装置は前記２つの情報層の間で選択する手段を有し、前記電気光学エレメントが前記選択する手段に応答することを特徴とする光学走査装置。
12. 請求項１ないし１１の何れか一項に記載の光学走査装置において、前記対物レンズから出力するビームが０．７より大きな開口数で前記記録担体に入射するように構成されていることを特徴とする光学走査装置。
13. 請求項１ないし１２の何れか一項に記載の光学走査装置を動作させる方法において、
    走査動作中に前記記録担体の情報層を読み取るステップと、
    前記走査動作中に前記装置の光学特性を変化させて、前記記録担体で発生された波面収差を補償するステップと、
    を有していることを特徴とする方法。
14. 請求項１ないし１２の何れか一項に記載の光学走査装置を動作させる方法において、
    走査動作中に前記記録担体の情報層にデータを書き込むステップと、
    前記走査動作中に前記装置の光学特性を変化させて、前記記録担体で発生された波面収差を補償するステップと、
    を有していることを特徴とする方法。
15. 情報層を有する光学記録担体を走査する光学走査装置において、
    放射ビームを発生する放射源と、
    前記放射源と前記情報層との間の光路内に配置されて前記放射ビームを前記情報層上のスポットに収束させる対物レンズであって、この対物レンズが、前記光学記録担体の走査中に該対物レンズの位置のサーボ式補正を実行するための機械的作動手段に取り付けられているような対物レンズと、
    第１の偏光の放射を有する第１放射ビーム及び第２の直交偏光の放射を有する第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントであって、該光学エレメントは偏光感受性材料から形成された部分を含むと共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有し、該表面はステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンは異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらすような光学エレメントと、
    を有し、前記光学エレメントが前記機械的作動手段内に前記対物レンズに対して固定された関係で共通に取り付けられていることを特徴とする光学走査装置。
16. 請求項１５に記載の光学走査装置において、前記表面が空気と境界を接していることを特徴とする光学走査装置。
17. 第１の偏光の放射を有する第１放射ビーム及び第２の直交偏光の放射を有する第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントにおいて、該光学エレメントは偏光感受性材料から形成された部分を含むと共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有し、該表面はステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンは異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらし、前記表面が空気と境界を接していることを特徴とする光学エレメント。
18. 第１の偏光の放射を有する第１放射ビーム及び第２の直交偏光の放射を有する第２放射ビームに関して波面収差補償を行う光学エレメントにおいて、該光学エレメントが、
    偏光感受性材料から形成されると共に前記第１及び第２放射ビームの経路内に配置されるべき表面を有する部分であって、前記表面がステップ型環状ゾーンの形態の位相構造を有し、これらゾーンが異なる長さの光路の非周期的パターンを形成し、前記第１放射ビームに対する光路と前記第２放射ビームに対する光路との差が、これら第１ビーム及び第２ビームにおける波面収差補償の差をもたらすような部分と、
    非偏光感受性材料から形成された部分であって、該非偏光感受性部分が前記表面に沿って前記偏光感受性部分と境界を接するような部分と、
    を有し、前記偏光感受性材料が前記第１偏光の放射に対して第１屈折率を示すと共に前記第２偏光の放射に対して第２屈折率を示し、前記非偏光感受性材料の屈折率が前記第２屈折率と整合するように選択されることを特徴とする光学エレメント。
    

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