JP2006164493A - 光学ヘッド及び情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の情報記録層が設けられる光情報記録媒体に適用される光学ヘッドが大型化するのを抑制する。
【解決手段】コリメータレンズ３０は、光源側に配置される凹レンズ３０ａと、対物レンズ側に配置される凸レンズ３０ｂとで構成される。コリメータレンズ用アクチュエータ３１は、光情報記録媒体の情報記録層までの光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を打ち消す方向に凸レンズ３０ｂを移動させる。対物レンズ５０のコリメータレンズ側に開口絞り２５が設けられており、開口絞り５２は、凸レンズ３０ｂの対物レンズ側焦点位置の近傍に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学ヘッド及び当該光学ヘッドを備えた情報記録再生装置に関するものである。

高密度、大容量の光情報記録媒体として市販されているものでＤＶＤやＢＤと呼ばれる光ディスクがある。このような光ディスクは画像、音楽、コンピュータデータを記録する記録媒体として急速に普及しつつある。

光ディスクの大容量化に伴い、光学ヘッド用光源の短波長化と対物レンズの高ＮＡ化が進んでいる。しかし、ＮＡが高くなるほど光ディスクの光透過層厚みの変化による球面収差の変化が顕著になってくる。例えばＤＶＤで用いられている波長６５０ｎｍ、対物レンズのＮＡが０．６の場合では、光透過層厚みの変化が１０μｍに対して約１０ｍλの球面収差が発生する。これに対し、次世代の光ディスク用として考えられる波長４００ｎｍ、ＮＡ０．８５の場合には光透過層厚みの変化が１０μｍに対して約１００ｍλとＤＶＤの場合に対して約１０倍の球面収差が発生する。

下記特許文献１には、球面収差を補正する手段として、コリメータレンズをコリメータレンズ用アクチュエータに搭載し、光源と対物レンズの間に配置されたコリメータレンズを移動させる方式が示されている。この方式では、コリメータレンズを移動させることによって光透過層の厚み誤差に起因する球面収差を打ち消すが、その方式について図９を参照しながら以下、具体的に説明する。

図９は、特許文献１に開示された光学ヘッド１０１の構成を示している。この光学ヘッド１０１は、光源１１０と、回折格子１１１と、偏光ビームスプリッタ１１２と、コリメータレンズ１１３と、コリメータレンズ用アクチュエータ１１４と、１／４波長板１１５と、対物レンズ１１６と、対物レンズ用２軸アクチュエータ１１７と、マルチレンズ１１８と、光検出器１１９とを備えている。

光源１１０から出射されたビーム光は、先ず、回折格子１１１に入射し、この回折格子１１１によって回折される。この回折格子１１１は、いわゆる３スポット法によるトラッキングサーボを可能とするために、ビーム光を少なくとも３つに分割するためのものである。

そして、回折格子１１１によって回折されてなる０次光及び±１次光（以下、これらをまとめて「入射ビーム光」と称する。）は、偏光ビームスプリッタ１１２を透過して、コリメータレンズ１１３に入射する。ここで、コリメータレンズ１１３は、例えば、２枚の球面レンズ１１３ａ、１１３ｂを貼り合わせてなる。

コリメータレンズ１１３に入射した入射ビーム光は、光ディスク１０２の光透過層１０４の厚さｔが規定値通りの場合には、コリメータレンズ１１３によって平行光とされる。

なお、このコリメータレンズ１１３は、コリメータレンズ用のアクチュエータ１１４に搭載されており、このコリメータレンズ用アクチュエータ１１４によって、入射ビーム光の光軸に沿って前後に移動可能とされている。そして、このコリメータレンズ１１３は、光ディスク１０２の光透過層の厚さｔが規定値から外れている場合には、当該光透過層１０４の厚み誤差に起因する球面収差を補正するように、コリメータレンズ用アクチュエータ１１４によって移動される。すなわち、光ディスク１０２の光透過層１０４の厚さｔが規定値から外れている場合、入射ビーム光は、光透過層１０４の厚み誤差に起因する球面収差を補正するように、コリメータレンズ１１３によって発散光或いは収束光とされる。

そして、コリメータレンズ１１３から出射された入射ビーム光は、１／４波長板１１５を介して、対物レンズ１１６に入射する。ここで、入射ビーム光は、１／４波長板１１５を透過する際に円偏光状態となされ、この円偏光光束が対物レンズ１１６に入射する。

対物レンズ１１６は、入射ビーム光を光ディスク１０２の記録層上に集光するためのものである。すなわち、１／４波長板１１５によって円偏光状態とされた入射ビーム光は、対物レンズ１１６によって集光されて、光ディスク１０２の光透過層１０４を介して、光ディスク１０２の記録層に入射する。

対物レンズ１１６によって集光されて光ディスク１０２の記録層に入射した入射ビーム光は、記録層で反射されて戻り光となる。この戻り光は、元の光路をたどって対物レンズ１１６を透過した後、１／４波長板１１５に入射する。そして、戻り光は、１／４波長板１１５を透過することにより、往きの偏光方向に対して９０度回転された直線偏光となり、その後、この戻り光は、コリメータレンズ１１３によって収束光とされた後、偏光ビームスプリッタ１１２に入射し、この偏光ビームスプリッタ１１２によって反射される。偏光ビームスプリッタ１１２によって反射された戻り光は、マルチレンズ１１８を介して光検出器１１９に入射し、当該光検出器１１９によって検出される。

前記光学ヘッド１０１を用いて光ディスク１０２の記録層上に光を集光して記録再生を行うとき、光ディスク１０２の光透過層１０４の厚み誤差によって発生する主な収差は、デフォーカスによるものと、球面収差によるものである。

デフォーカスは、フォーカスサーボにより補正される。すなわち、光検出器１１９での検出光量に基づいてフォーカスサーボを行い、対物レンズ用２軸アクチュエータ１１７によって対物レンズ１１６を光軸方向に沿って前後に動かすようにしている。これによりデフォーカスが補正され、記録層上に焦点が合わされる。

一方、球面収差については、対物レンズ１１６に入射する入射ビーム光を発散光或いは収束光とすることにより、光透過層１０４の厚さｔに応じて発生する球面収差と逆極性の球面収差を発生させることで補正を行う。具体的には、コリメータレンズ用アクチュエータ１１４によってコリメータレンズ１１３を光軸方向に沿って前後に動かすことで、対物レンズ１１６への入射ビーム光を発散光或いは収束光とし、対物レンズ１１６で逆極性の球面収差を発生させる。これにより、光透過層１０４の厚み誤差に起因する球面収差をキャンセルするようにしている。すなわち、この光学ヘッド１０１において、コリメータレンズ用アクチュエータ１１４は、光ディスク１０２の光透過層１０４の厚さｔに応じて、球面収差を打ち消すようにコリメータレンズ１１３を移動させる移動手段となっている。したがって、この光学ヘッド１０１においては、光源１１０から出射されたビーム光が対物レンズ１１６を透過して焦点を結んだときは、球面収差がキャンセルされた状態になっていて、光学系全体として良好に球面収差が補正された系となっている。
特開平１１−２５９９０６号公報

ところで、今後さらなる大容量化を図るためには、情報記録層をさらに多層構造とすることが考えられる。すなわち、情報記録層を多層化し、各情報記録層に情報の記録を行うことで大容量化を図ることが考えられる。しかし、情報記録層毎に対物レンズからの距離が違うため、発生する球面収差が情報記録層毎に異なることになる。例えば、ある情報記録層に対しては到達した光の残存球面収差が最小となるように設定されているとする。このときの光透過層の厚みを最適基材厚と呼ぶことにする。この場合において前記情報記録層と異なる情報記録層に対しては、最適基材厚からの光透過層の厚みの変化量に応じた球面収差が発生する。ここで、光透過層の厚みの変化量Δｄ、光透過層の屈折率ｎ、対物レンズの開口数ＮＡ（numerical aperture）とすると、３次の球面収差Ｗは、下記のような数式（２）で表される（ラジオ技術社 光ディスク技術第２版 p60〜参照）。

この数式（２）から明らかなように、３次の球面収差Ｗは、最適基材厚からの光透過層の厚みの変化量Δｄに比例して大きくなる。つまり、情報記録層を多層化することによって光透過層の厚みが大きくなると、補正する球面収差量も増えることになる。そのため、従来の光学ヘッドでは、発生した球面収差を補正するために必要なコリメータレンズの移動量も増大することになる。この結果、コリメータレンズの移動量を確保するためにはコリメータレンズ用アクチュエータが大きくなり、光学ヘッドが大型化してしまうという課題がある。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の情報記録層が設けられる光情報記録媒体に適用される光学ヘッドが大型化するのを抑制することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、光源から出射された光ビームをコリメータレンズ及び対物レンズを通して複数の情報記録層を有する光情報記録媒体に集光させる光学ヘッドを前提として、前記コリメータレンズは、前記光源側に配置される凹レンズと、前記対物レンズ側に配置される凸レンズとで構成され、前記光情報記録媒体の情報記録層までの光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を打ち消す方向に前記凸レンズを移動させるコリメータレンズ用アクチュエータが設けられている。

本発明では、コリメータレンズ用アクチュエータが凸レンズを移動させることにより、対物レンズへ入射する光ビームを平行光から発散光又は収束光に変えることができる。このため、光情報記録媒体中の情報記録層までの光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を低減することができる。しかもコリメータレンズを凹レンズと凸レンズとで構成していることから、コリメータレンズとしての焦点距離よりも凸レンズの焦点距離のほうが短くなる。このためコリメータレンズとしての機能を確保しつつ、コリメータレンズを１枚のレンズで構成した場合に比べて前記球面収差補正時の凸レンズの移動量を低減することができる。この結果、凸レンズの移動範囲が低減されるので、複数の情報記録層が設けられる光情報記録媒体に適用される光学ヘッドが大型化するのを抑制することができる。

ここで、前記対物レンズのコリメータレンズ側に開口絞りが設けられており、前記開口絞りは、前記凸レンズの対物レンズ側の焦点位置の近傍に配置されているのが好ましい。

この態様では、球面収差を補正するために凸レンズが移動しても、開口絞りへの入射ビーム光量の変動を最小限に抑えることが可能となり、光情報記録媒体に入射される光量を安定させることができる。

また、前記対物レンズは、平行光が入射されたときの前記対物レンズの焦点が前記光情報記録媒体の最も入射側表面に近い情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値と、前記焦点が最奥の情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値とが同等になるように設定されているのが好ましい。

この態様では、最も入射側表面に近い情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差の絶対値と、最奥側の情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差の絶対値とが同等となるので、これら球面収差を補正するに際し、対物レンズへ入射される光ビームの平行光から発散光への変化割合と平行光から収束光への変化割合とを同等にすることができる。したがって、対物レンズに発散光を入射させる場合の光量変化と、収束光を入射させる場合の光量変化とを同等にできるので何れの情報記録層においても情報記録再生性能を確保しやすくすることができる。

この場合において、前記光ビームが入射する側からｊ番目（ｊは１≦ｊ≦ｍの整数、ｍは情報記録層の層数）の前記情報記録層までの前記光透過層の厚みをｄ_j、ｊ番目の前記光透過層の屈折率をｎ_j、前記対物レンズを設計するときの前記光透過層の屈折率をＮ、前記最も入射側表面に近い情報記録層と前記最奥の情報記録層との間に前記対物レンズの焦点が合った状態で平行光が入射された前記対物レンズによって生ずる球面収差が相殺される前記光透過層の厚みをＡとしたときに、前記対物レンズは、以下の式（１）

を満足しているのが好ましい。

この態様では、最も入射側表面に近い情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差と、最奥側の情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差とを同等にし易くすることができる。

また、本発明は、光源から出射された光ビームをコリメータレンズ及び対物レンズを通して複数の情報記録層を有する光情報記録媒体に集光させる光学ヘッドを前提として、前記光源と前記対物レンズとの間に前記情報記録層までの光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を補正する収差補正手段が設けられ、前記対物レンズは、平行光が入射されたときの前記対物レンズの焦点が前記光情報記録媒体の最も入射側表面に近い情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値と、前記焦点が最奥の情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値とが同等になるように設定されている。

本発明では、最も入射側表面に近い情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差の絶対値と、最奥側の情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差の絶対値とが同等となるので、これら球面収差を補正するに際し、対物レンズへ入射される光ビームの平行光から発散光への変化割合と平行光から収束光への変化割合とを同等にすることができる。したがって、対物レンズに発散光を入射させる場合の光量変化と、収束光を入射させる場合の光量変化とを同等にできるので何れの情報記録層においても情報記録再生性能を確保しやすくすることができる。

この発明において、前記光ビームが入射する側からｊ番目（ｊは１≦ｊ≦ｍの整数、ｍは情報記録層の層数）の前記情報記録層までの前記光透過層の厚みをｄ_j、ｊ番目の前記光透過層の屈折率をｎ_j、前記対物レンズを設計するときの前記光透過層の屈折率をＮ、前記最も入射側表面に近い情報記録層と前記最奥の情報記録層との間に前記対物レンズの焦点が合った状態で平行光が入射された前記対物レンズによって生ずる球面収差が相殺される前記光透過層の厚みをＡとしたときに、前記対物レンズは、以下の式（１）

を満足しているのが好ましい。

この態様では、最も入射側表面に近い情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差と、最奥側の情報記録層に対物レンズの焦点が合ったときの球面収差とを同等にし易くすることができる。

また、本発明は、前記光学ヘッドと、前記光学ヘッドからの信号に基づいて、前記光情報記録媒体への情報の記録及び前記光情報記録媒体に記録された情報の再生の少なくとも一方を行う制御部とを備えている情報記録再生装置である。

以上説明したように、本発明によれば、複数の情報記録層が設けられる光情報記録媒体に適用される光学ヘッドが大型化するのを抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明に従う光学ヘッドの一実施形態を示した図である。この光学ヘッド１は、光ディスク等の光情報記録媒体９０に光ビームを照射する。

前記光学ヘッド１は、光源１０と、偏光ビームスプリッタ２０と、コリメータレンズ３０と、コリメータレンズ用アクチュエータ３１と、１／４波長板４０と、対物レンズ５０と、対物レンズ用アクチュエータ５１と、対物レンズ開口絞り５２と、回折格子６０と、シリンドリカルレンズ７０と、光検出器８０を備える。

前記光情報記録媒体９０には、複数（図例では４つ）の情報記録層９０ａ，・・，９０ｄが設けられている。対物レンズ５０側の表面と、この入射側表面に最も近い最入射側の情報記録層９０ａとの間は光透過層となっており、この光透過層の厚みをｄ１とする。最入射側の情報記録層９０ａと、この情報記録層９０ａの隣の情報記録層（２番目の情報記録層）９０ｂとの間は光透過層となっており、その厚みをｄ２とする。２番目の情報記録層９０ｂと３番目の情報記録層９０ｃとの間は光透過層となっており、その厚みをｄ３とする。３番目の情報記録層９０ｃと４番目の情報記録層（最奥の情報記録層）９０ｄとの間は光透過層となっており、その厚みをｄ４とする。

前記光源１０は、記録再生時に光情報記録媒体９０に向けて光ビームを出射するものであり、直線偏光の発散ビームを出射する。光源１０から出射された発散ビームは、偏光ビームスプリッタ２０を透過して、コリメータレンズ３０に入射する。ここで、コリメータレンズ３０は、従来例で示した光学ヘッドとは異なり、２枚のそれぞれ独立した正のパワーを持つレンズと負のパワーを持つレンズで構成する。すなわち、コリメータレンズ３０は、光源１０側に配置された負のパワーを持つ凹レンズ３０ａと、対物レンズ５０側に配置された正のパワーを持つ凸レンズ３０ｂとで構成される。凹レンズ３０ａは、ビーム入射面が凹面形状、ビーム出斜面が凸面形状のメニスカスレンズである。凸レンズ３０ｂは、図例では両面が凸面形状のレンズを示しているが、これに代えて片面が平面形状の凸レンズとしていもよい。ただし、性能面を考慮すれば両面が凸面形状の凸レンズとするのが好ましい。

凸レンズ３０ｂは、コリメータレンズ用アクチュエータ３１に搭載されている。コリメータレンズ用アクチュエータ３１は、図２に示すように固定レンズホルダ３７と、この固定レンズホルダ３７に固定された駆動部３６と、この駆動部３６によって移動可能に構成される可動レンズホルダ３５とを備えている。固定レンズホルダ３７には、凹レンズ３０ａが固定されている。可動レンズホルダ３５には、凸レンズ３０ｂが固定されている。可動レンズホルダ３５は、駆動部３６によって、ビーム光の光軸に沿って双方向（前後方向）に移動可能となっている。駆動部３６は、例えばステッピングモータによってスクリュー軸を回転させることで可動レンズホルダ３５を移送させるものであってもよく、あるいは圧電素子によって軸自体を軸方向に移動させて可動レンズホルダ３５を移送させるものであってもよい。

凸レンズ３０ｂは通常、基準位置に設定されるようになっている。凸レンズ３０ｂがこの基準位置にあるときには、コリメータレンズ３０から対物レンズ５０へ向かう光ビームが平行光となる。そして、可動レンズホルダ３５を移動させて凸レンズ３０ｂと凹レンズ３０ａとの間隔ｄｃｌを変えることにより、コリメータレンズ３０から出射される光ビームが、平行光から発散光又は収束光に変わる。この凸レンズ３０ｂと凹レンズ３０ａとの間隔ｄｃｌの調整は、記録再生を行う情報記録層９０ａ，・・，９０ｄまでの光透過層の厚さに応じて発生する球面収差を補正するために行われる。すなわち、対物レンズ５０への入射ビーム光を発散光或いは収束光とすることで、対物レンズ５０で逆極性の球面収差を発生させ、光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を低減させる。言い換えると、本実施形態では、凹レンズ３０ａ及び凸レンズ３０ｂからなるコリメータレンズ３０と、コリメータレンズ用アクチュエータ３１とにより、光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を補正する収差補正手段が構成されている。

コリメータレンズ３０を透過した入射ビーム光は、１／４波長板４０を介して対物レンズ５０に入射される。ここで、入射ビーム光は、１／４波長板４０を透過する際に円偏光状態となされ、この円偏光光束が対物レンズ５０に入射する。対物レンズ５０の入射側（コリメータレンズ側）には前記対物レンズ開口絞り５２が配設されているので、この対物レンズ開口絞り５２によって対物レンズ５０への入射ビーム光の径が制限される。対物レンズ開口絞り５２は、凸レンズ３０ｂの焦点位置の近傍に配置される。このように配置することにより、球面収差を補正するために凸レンズ３０ｂを光軸方向に移動させて入射ビーム光を発散光或いは収束光としたときでも、対物レンズ開口絞り５２を通過できる入射ビーム光量の変動を抑えることができる。ここで、凸レンズ３０ｂの焦点位置の近傍とは、凸レンズ３０ｂの焦点距離に対して±２０％の範囲を含む概念であり、凸レンズ３０ｂの焦点距離に対して±１０％の範囲であるのが好ましい。この範囲であれば、記録再生性能にあまり影響を与えない程度に入射ビーム光量の変動を抑えることができる。

対物レンズ５０は、入射ビーム光を光情報記録媒体９０の情報記録層上に集光するためのものである。すなわち、１／４波長板４０によって円偏光状態とされた入射ビーム光は、対物レンズ５０によって集光されて、光情報記録媒体９０の光透過層を透過して目的の情報記録層９０ａ，・・，９０ｄに入射する。

情報記録層９０ａ，・・，９０ｄに集光された入射ビーム光は、情報記録層９０ａ，・・，９０ｄで反射されて戻り光となる。この戻り光は、元の光路を辿って対物レンズ５０を透過した後、１／４波長板４０に入射する。そして、１／４波長板４０を透過することにより、戻り光は往きの偏光方向に対して９０度回転された直線偏光となり、その後、この戻り光は、コリメータレンズ３０によって収束光とされた後、偏光ビームスプリッタ２０によって反射される。

偏光ビームスプリッタ２０によって反射された戻り光は、ビーム分割素子である回折格子６０で０次光と１次光に分割され、シリンドリカルレンズ７０を介して光検出器７０に入射し、当該光検出器８０によって検出される。このシリンドリカルレンズ７０は、戻り光に対して、いわゆる非点収差法によるフォーカスサーボを可能とするための非点収差を付与するためのものである。光検出器８０は、各フォトダイオードに入射した戻り光の光強度に応じた電気信号を出力するとともに、それらの電気信号に対して所定の演算処理を施して、フォーカスサーボ信号やトラッキングサーボ信号等の信号を生成し出力する。

ここで、本実施形態１について、具体的な数値例を以下に示す。

光源１から出射される光の波長λ＝４０５ｎｍ
コリメータレンズ３０の合成焦点距離ｆｃｌ＝１８．８ｍｍ
凹レンズ３０ａの焦点距離ｆｃｌ凹＝−２１ｍｍ
凸レンズ３０ｂの焦点距離ｆｃｌ凸＝１２ｍｍ
凹レンズ３０ａと凸レンズ３０ｂのレンズ間隔ｄｃｌ＝３．０ｍｍ
対物レンズ５０の焦点距離ｆｏｌ＝１．３ｍｍ
対物レンズ開口絞り５２φ＝２．２１ｍｍ
情報記録層間の各光透過層の厚みｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝２５μｍ
情報記録媒体９０の各光透過層の屈折率ｎ１＝ｎ２＝ｎ３＝ｎ４＝１．６１

図３に、前記数値例の場合における凸レンズ３０ｂの移動量と光透過層厚の関係を示す。この図は、縦軸に凸レンズ３０ｂの移動量（ｍｍ）をとり、横軸に光透過層厚（ｍｍ）をとったものであり、情報記録媒体９０の情報記録層９０ａ，・・，９０ｄに光ビームを集光させる際に発生する球面収差を補正するために必要な凸レンズ３０ｂの移動量を示している。横軸の０．０２５ｍｍは最入射側の情報記録層９０ａの位置に相当し、０．１ｍｍは最奥の情報記録層９０ｄの位置に相当する。

凸レンズ３０ｂの移動量のゼロ点は、コリメータレンズ３０を透過した光ビームが平行光となるとき、本例では凹レンズ３０ａと凸レンズ３０ｂのレンズ間隔ｄｃｌ＝３．０ｍｍのときとしている。このとき対物レンズ５０で集光されて光情報記録媒体９０の表面から６２．５μｍ（０．０６２５ｍｍ）の位置に焦点が合ったときに残存球面収差が最小になるような対物レンズ５０が選定されているものとしている。すなわち、光透過層の厚みが６２．５μｍで球面収差が最小になるような対物レンズ５０が用いられていることを条件としている。そして同図では、レンズ間隔ｄｃｌが広がる方向の移動量を「＋」とし、本実施例のように凸レンズ３０ｂと凹レンズ３０ａからなるコリメータレンズ３０の場合と、従来のように１枚の凸レンズからなるコリメータレンズの場合とを比較している。これらコリメータレンズの焦点距離ｆは、何れも１８．８ｍｍとしている。

図３から分かるように、光情報記録媒体９０の各光透過層の厚みｄ１〜ｄ４の範囲で球面収差を補正するためには、１枚コリメータレンズでは約１０．５ｍｍの移動量が必要なのに対して、本実施例のコリメータレンズ３０では、約４．０ｍｍの移動量で足りる。したがって、本実施例では凸レンズ３０ｂを光軸方向に移動させる距離を小さくすることができる。

このような結果が得られる理由について、図４に示す物体距離とレンズ移動量の関係を参照しつつ、ニュートンの結像公式
ｘｘ’＝ｆｆ’＝−ｆ^２＝−ｆ’^２ ・・・（３）
を使って説明する。

光源の位置Ｏから出射された光がレンズによって集光されて光源虚像の位置Ｏ’で結像するとする。レンズが距離ｘだけ移動した場合において、レンズの後側焦点Ｆ’と光源虚像Ｏ’との間の距離ｘ’と、レンズ移動量ｘとの関係を求める。レンズが距離ｘだけ移動した場合、式（３）により、光源虚像の位置Ｏ’は、焦点距離ｆの２乗に比例して変化する。したがって、コリメータレンズを独立した２枚のレンズからなる構成とし、移動させる凸レンズ３０ｂの焦点距離ｆを短くすることで、少ないレンズ移動量で光源虚像位置Ｏ’を大きく移動することができる。つまり、凸レンズ３０ｂの焦点位置ｆｃｌ凸は、１枚のコリメータレンズの場合の焦点距離よりも短くしているので、１枚コリメータレンズよりも少ない移動量で対物レンズ５０への入射ビーム光を１枚コリメータレンズと同じ発散状態或いは収束状態にすることができる。なお、凸レンズ３０ｂの焦点位置は、光学ヘッドの光学系の倍率、コリメータレンズ３０の焦点位置とコリメータレンズを構成する負のパワーをもつ凹レンズ３０ａとの関係、あるいは光学ヘッドの外形形状などの要素により、最適に決定することができる。

図５は、本光学ヘッド１における凸レンズ３０ｂの移動量に対するコリメータレンズ入射側ＮＡの変動量を示している。同図は、縦軸にコリメータレンズ入射側ＮＡをとり、横軸に凸レンズ３０ｂの移動量をとっている。ここでコリメータレンズ入射側ＮＡとは、対物レンズ開口絞り５２で入射ビーム光束が制限されることを前提とした光源側でのコリメータレンズ３０への入射光束の広がり度合いを意味している。

凸レンズ３０ｂの移動量がゼロとなる原点位置は、コリメータレンズ３０の出射ビーム光が平行光になる場合としており、本実施例では凹レンズ３０ａと凸レンズ３０ｂのレンズ間隔ｄｃｌ＝３．０ｍｍとなっている。そして、凸レンズ３０ｂが原点位置にあるときに、凸レンズ３０ｂの対物側焦点位置と対物レンズ開口絞り５２の位置が一致する設定となっている。凸レンズ３０ｂの移動量は、レンズ間隔が広がる方向を「＋」としている。

コリメータレンズ入射側ＮＡは、凸レンズ３０ｂの移動に伴い、凸レンズ３０ｂが原点位置にあるときにピークを有し且つ上に凸の曲線状に変化する。したがって、原点位置を中心として凸レンズ３０ｂが両側に移動する構成とすれば、コリメータレンズ入射側ＮＡの変動が最も小さくなる特性となる。すなわち、凸レンズ３０ｂの移動量が４ｍｍの場合（例えば、図３における２枚コリメータレンズ参照）において、−３ｍｍから＋１ｍｍの範囲で凸レンズ３０ｂが移動する場合に比べ、−２ｍｍから＋２ｍｍの範囲で凸レンズ３０ｂが移動する場合の方がコリメータレンズ入射側ＮＡの変動を低減することができる。このように、凸レンズ３０ｂの焦点位置近傍に対物レンズ開口絞り５２を配置すると、球面収差を補正するために凸レンズ３０ｂが移動しても、コリメータレンズ入射側ＮＡの変動を抑制することができる。したがって、対物レンズ開口絞り５２への入射ビーム光量の変動を最小限に抑えることが可能となり、光情報記録媒体９０に入射される光量を安定させることができる。この結果、どの情報記録層９０ａ，・・，９０ｄに焦点を当てるかによらず、光情報記録媒体９０へ入射する光量及び光情報記録媒体９０からの戻り光に基づく記録再生信号の光量の安定化を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、より少ないレンズ移動量でより大きい球面収差補正量を得ることができ、且つ、レンズ移動による対物レンズ５０への入射ビーム光の取り込み効率の変動も抑えることができる。このため、光学システム上における移動部の移動距離を抑えることができるので、光学ヘッド１をより小型化することができる。また、凸レンズ３０ｂの移動に伴う光軸ずれによって発生する収差も抑えることができるため、この点からも記録再生性能の向上に寄与する。

なお、本実施の形態では、光情報記録媒体の情報記録層を４層としたが、これに限られるものではなく、例えば３層や８層等の複数層であっても同様の効果が得られる。

また、本実施形態１における具体的な数値例として、情報記録層間の各光透過層の厚みｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝２５μｍの場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば情報記録層間の各光透過層の厚みが、それぞれｄ１＝５５μｍ、ｄ２＝１０μｍ、ｄ３＝２０μｍ、ｄ４＝１５μｍであってもよく、あるいはｄ１＝６０μｍ、ｄ２＝１０μｍ、ｄ３＝２０μｍ、ｄ４＝１５μｍであってもよい。

（実施形態２）
図６は、本発明の第２実施形態に係る光学ヘッド１の一部と光情報記録媒体９０１を示した図である。なお、本実施形態２では対物レンズ５０１以外の構成については前記実施形態１と同様であるので、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

光情報記録媒体９０１には、対物レンズ５０１側の表面から順に情報記録層９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃ、９０１ｄが形成されている。光情報録媒体９０１の対物レンズ５０１側の表面から最入射側の情報記録層９０１ａまでの光透過層の厚みをｄ１、情報記録層９０１ａから２番目の情報記録層９０１ｂまでの光透過層の厚みをｄ２、情報記録層９０１ｂから３番目の情報記録層９０１ｃまでの光透過層の厚みをｄ３、情報記録層９０１ｃから４番目の情報記録層（最奥の情報記録層）９０１ｄまでの光透過層の厚みをｄ４とする。

この光情報記録媒体９０１についての具体的な数値を以下に示す。

情報記録層間の各光透過層の厚みｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝２５μｍ
情報記録媒体９０１の各光透過層の屈折率ｎ１＝ｎ２＝ｎ３＝ｎ４＝１．６１
なお、上記以外は実施形態１での数値と同じであるので、記載を省略している。

実施の形態１で示したように、光透過層の厚みにより変化する球面収差は、コリメータレンズ３０からの出射ビーム光を発散光又は収束光とすることにより補正することができる。これにより、発生する球面収差のうち主な成分である３次成分を除去することができ、球面収差を大幅に低減することができる。しかしこの場合は、より高次の成分（主に５次成分）を除去することはできない。すなわち、記録再生の対象とする情報記録層が変わった場合に凸レンズ３０ｂの移動によって３次成分を除去することはできても、より高次の成分については除去することができない。

図７に、光透過層厚みと５次球面収差量との関係を示す。この図は、対物レンズ５０１の最適基材厚Ａ＝６２．５μｍ（設計屈折率Ｎ＝１．６１）とした場合の関係を示している。本実施形態における対物レンズ５０１では、空気中において、光情報媒体９０１の光透過層によって生ずる球面収差と逆の極性の球面収差が生ずる設計となっている。そして、対物レンズ５０１に付与された球面収差は、所定厚みの光透過層によって相殺されるようになっている。

ここで、最適基材厚Ａとは、対物レンズ５０１に平行光が入射して光情報記録媒体内で焦点を結ぶ場合において、残存球面収差の絶対値が最小となるときの光透過層の厚みを意味している。すなわち、対物レンズは、平行光が入射される場合において最入射側の情報記録層に焦点があるときには球面収差補正が過剰になり、最奥側の情報記録層に焦点が合うときには球面収差補正が不足する。そして、これらの中間深さに焦点が合うことにより球面収差補正が相殺される状態のとき、この中間深さまでの光透過層の厚みを最適基材厚Ａとしている。

球面収差の発生量は、ビーム光が透過する光透過層の厚みに比例し、情報記録層９０１ａ（光透過層厚ｄ１＝２５μｍ）、または情報記録層９０１ｄ（光透過層厚ｄ１〜ｄ４＝１００μｍ）に近いほど増大する（つまり、絶対値が大きくなる）。そして、対物レンズ５０１の最適基材厚Ａとして、光情報記録媒体９０１の入射側表面から各情報記録層９０１ａ，・・，９０１ｄまでの光透過層の厚みの略平均値を採用することで、各情報記録層９０１ａ，・・，９０１ｄに焦点を合わせるときに生ずる５次球面収差の発生量を均等に割り振ることができるととともに、最入射側の情報記録層９０１ａに合わせたときに生ずる球面収差と、最奥側の情報記録層９０１ｄに合わせたときに生ずる球面収差を抑えることができる。

一方、図３で示したように、２枚コリメータレンズの場合の光透過層厚と凸レンズ３０ｂ移動量の関係より、３次の球面収差の発生量は、ビーム光が通る光透過層の厚みに比例する。つまり、３次の球面収差発生量も５次の球面収差発生量もビーム光が通る光透過層の厚みに比例し、かつ対物レンズ５０１の最適基材厚Ａ付近で最小となる。

したがって、５次の球面収差発生量を均等に割り振るときの対物レンズ５０１の最適基材厚Ａは、前述した３次の球面収差の式（２）を用いて、次のように表すことができる。すなわち、光情報記録媒体の表面と１番目（最入射側）の情報記録層９０１ａとの間の光透過層の厚みｄ_１、その屈折率ｎ_１とし、各光透過層厚ｄ_ｊ、屈折率ｎ_ｊ（ｊは１≦ｊ≦ｍの整数、ｍは情報記録層の層数）としたとき、対物レンズ５０１の最適基材厚Ａは、以下の式（１）

で表される。なお、Ｎは、任意であるが、例えばレンズを設計する時に使う屈折率（設計屈折率）である。

実際に、上記の数値例とＮ＝１．６１を用いてＡを計算すると、Ａ＝６２．５μｍとなる。

なお、最適基材厚Ａは、光情報記録媒体９０１の入射側表面から各情報記録層９０１ａ，・・，９０１ｄまでの光透過層の厚みの平均値とするのが望ましいが、±２０％範囲内であれば、５次の球面収差発生量をほぼ均等に割り振ることができるので、実用上問題ない。

また本実施の形態では、光情報記録媒体の情報記録層を４層としたが、これに限られるものではなく、例えば３層や８層等の複数層であっても同様の効果が得られる。

また、本実施形態２における具体的な数値例として、情報記録層間の各光透過層の厚みｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝２５μｍの場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば情報記録層間の各光透過層の厚みが、それぞれｄ１＝５５μｍ、ｄ２＝１０μｍ、ｄ３＝２０μｍ、ｄ４＝１５μｍであってもよく、あるいはｄ１＝６０μｍ、ｄ２＝１０μｍ、ｄ３＝２０μｍ、ｄ４＝１５μｍであってもよい。

また、本実施形態２では、実施形態１と同様にコリメータレンズ３０及びコリメータレンズ用アクチュエータ３１によって収差補正手段を構成してもよく、あるいはコリメータレンズとは別個に凹レンズ及び凸レンズを設けて、これらの間隔を変えることによって対物レンズ５０１への入射ビーム光を発散光又は収束光にして球面収差を補正するようにしてもよい。

（実施形態３）
図８は、本発明に従う情報記録再生装置の一実施形態を示している。この情報記録再生装置２１０は、光学ヘッド１と、回転駆動機構２１２と、電源２１４と、制御部２１５とを備えている。制御部２１５は、受光装置２１７と、再生装置２１８と、トラッキングサーボ機構２１９と、フォーカスサーボ機構２２０とを備えている。

光学ヘッド１は、例えば実施形態１として説明したものであるが、これに代え、実施形態２として説明したものであってもよい。

情報記録再生装置では、光学ヘッド１の対物レンズ５０から出射し光ディスク９０の記録面に収束する光によって、情報の記録、消去、及び読み取りが行われる。回転駆動機構２１２は、モータ（不図示）を備えており、軸に装着された光ディスク９０を回転駆動する。電源２１４は、回路基板（不図示）、回転駆動機構２１２等に電力を供給する。受光装置２１７は、光学ヘッド１によって分岐させられた反射光に基づいて、再生信号２２２、トラッキングエラー信号２２４及びフォーカスエラー信号２２６を生成する。

再生装置２１８は、再生信号２２２に基づいて光ディスク９０に記録された情報を再生するもので、当該情報が例えば映像情報及び音声情報であれば、映像信号及び音声信号へ変換する。映像信号はモニタ（不図示）へ入力されることにより映像として表示され、音声信号はスピーカ（不図示）へ入力されることにより音声として出力される。トラッキングサーボ機構２１９は、トラッキングエラー信号２２４に基づいて、トラッキング誤差を補償するように光学ヘッド１を制御する。同様に、フォーカスサーボ機構２２０は、フォーカスエラー信号２２６に基づいて、フォーカス誤差を補償するように光学ヘッド１を制御する。

本発明に係る光学ヘッド及び情報記録再生装置は、光透過層の厚さに応じて発生する球面収差を補正するためのコリメータレンズ移動量を低減することが可能である。したがって、本発明は小型な光学ヘッド、並びにそのような光学ヘッドを備えた情報記録再生装置に利用できる。

本発明の実施の形態１に係る光学ヘッドの構成を概略的に示す図である。 前記光学ヘッドに設けられたコリメータレンズアクチュエータの構成を概略的に示す図である。 光透過層の厚みと凸レンズの移動量との関係を示す特性図である。 物体距離とレンズ移動量の関係を説明するための説明図である。 凸レンズの移動量とコリメータレンズ入射側ＮＡとの関係を示す特性図である。 本発明の実施形態２に係る光学ヘッドの一部と光情報記録媒体とを示す概略図である。 光透過層厚みと５次の球面収差発生量との関係を示す特性図である。 本発明の実施形態３に係る情報記録再生装置のブロック図である。 従来の光学ヘッドを示す図である。

符号の説明

１ 光学ヘッド
１０ 光源
３０ コリメータレンズ
３０ａ 凹レンズ
３０ｂ 凸レンズ
３１ コリメータレンズ用アクチュエータ
５０ 対物レンズ
５２ 対物レンズ開口絞り
９０ 光情報記録媒体
９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ 情報記録層
２１５ 制御部
５０１ 対物レンズ
９０１ 光情報記録媒体
９０１ａ，９０１ｂ，９０１ｃ，９０１ｄ 情報記録層

Claims (7)

1. 光源から出射された光ビームをコリメータレンズ及び対物レンズを通して複数の情報記録層を有する光情報記録媒体に集光させる光学ヘッドであって、
   前記コリメータレンズは、前記光源側に配置される凹レンズと、前記対物レンズ側に配置される凸レンズとで構成され、
   前記光情報記録媒体の情報記録層までの光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を打ち消す方向に前記凸レンズを移動させるコリメータレンズ用アクチュエータが設けられている光学ヘッド。
2. 前記対物レンズのコリメータレンズ側に開口絞りが設けられており、
   前記開口絞りは、前記凸レンズの対物レンズ側の焦点位置の近傍に配置されている請求項１に記載の光学ヘッド。
3. 前記対物レンズは、平行光が入射されたときの前記対物レンズの焦点が前記光情報記録媒体の最も入射側表面に近い情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値と、前記焦点が最奥の情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値とが同等になるように設定されている請求項１又は２に記載の光学ヘッド。
4. 前記光ビームが入射する側からｊ番目（ｊは１≦ｊ≦ｍの整数、ｍは情報記録層の層数）の前記情報記録層までの前記光透過層の厚みをｄ_j、ｊ番目の前記光透過層の屈折率をｎ_j、前記対物レンズを設計するときの前記光透過層の屈折率をＮ、前記最も入射側表面に近い情報記録層と前記最奥の情報記録層との間に前記対物レンズの焦点が合った状態で平行光が入射された前記対物レンズによって生ずる球面収差が相殺される前記光透過層の厚みをＡとしたときに、前記対物レンズは、以下の式（１）
   

   

   を満足している請求項３に記載の光学ヘッド。
5. 光源から出射された光ビームをコリメータレンズ及び対物レンズを通して複数の情報記録層を有する光情報記録媒体に集光させる光学ヘッドであって、
   前記光源と前記対物レンズとの間に前記情報記録層までの光透過層の厚みに応じて発生する球面収差を補正する収差補正手段が設けられ、
   前記対物レンズは、平行光が入射されたときの前記対物レンズの焦点が前記光情報記録媒体の最も入射側表面に近い情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値と、前記焦点が最奥の情報記録層に合ったときに生ずる球面収差の絶対値とが同等になるように設定されている光学ヘッド。
6. 前記光ビームが入射する側からｊ番目（ｊは１≦ｊ≦ｍの整数、ｍは情報記録層の層数）の前記情報記録層までの前記光透過層の厚みをｄ_j、ｊ番目の前記光透過層の屈折率をｎ_j、前記対物レンズを設計するときの前記光透過層の屈折率をＮ、前記最も入射側の表面に近い情報記録層と前記最奥の情報記録層との間に前記対物レンズの焦点が合った状態で平行光が入射された前記対物レンズによって生ずる球面収差が相殺される前記光透過層の厚みをＡとしたときに、前記対物レンズは、以下の式（１）
   

   

   を満足している請求項５に記載の光学ヘッド。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光学ヘッドと、
   前記光学ヘッドからの信号に基づいて、前記光情報記録媒体への情報の記録及び前記光情報記録媒体に記録された情報の再生の少なくとも一方を行う制御部とを備えている情報記録再生装置。

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