JP2013242337A - 対物レンズ、光ヘッド装置、光情報装置、及び光情報システム - Google Patents

Abstract

【課題】形成された対物レンズにコマ収差が発生している場合には、このコマ収差が対物レンズを形成する金型の上型と下型の中心位置ずれに起因するものなのか、傾きに起因するものなのかを効率よく判断することができなかった。
【解決手段】本願発明の対物レンズは、青色光を収束させる開口数が０．７５よりも大きな高開口数の光ヘッド装置に用いる単玉対物レンズであって、一方の光学面を第一面、対抗する他方の光学面を第二面としたときに、第一面と第二面の中心軸の相対位置ずれによって発生するコマ収差の中でＮ次のコマ収差が最大であって、第一面と第二面の中心軸の相対傾きによって発生するコマ収差の中でＭ次のコマ収差が最大であって、ＮとＭは３以上の奇数であってＮとＭが異なることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば光ディスクなどの光情報媒体上に記憶される情報の記録・再生あるいは消去を行う光ヘッド装置及びその光ヘッド装置に搭載する対物レンズ、光情報装置および、これらを応用した光情報システムに関するものである。

高密度・大容量の記憶媒体として、ピット状パターンを有する光ディスクを用いる光メモリ技術は、ディジタルオーディオディスク、ビデオディスク、文書ファイルディスク、さらにはデータファイルと用途を拡張しつつ、実用化されてきている。回折限界の微小スポットを形成する集光機能、光学系の焦点制御（フォーカスサーボ）とトラッキング制御、及びピット信号（情報信号）検出に大別される機能が、高い信頼性の元に首尾よく遂行されることが望まれる。

近年、光学系設計技術の進歩と、光源である半導体レーザの短波長化により、従来以上の高密度の記憶容量を持つ光ディスクの開発が進んでいる。高密度化のアプローチとしては、光ディスク上へ光ビームを微小に絞る集光光学系の光ディスク側開口数（ＮＡ）を大きくするアプローチが行われている。その際、問題となるのが光軸の傾き（いわゆるチルト）による収差の発生量の増大である。ＮＡを大きくすると、チルトに対して発生する収差量が大きくなる。これを防ぐためには、光ディスクの透明基板の厚み（基材厚）を薄くすれば良い。

光ディスクの第１世代といえるコンパクトディスク（ＣＤ）は赤外光（波長λ３は７８０ｎｍ〜８２０ｎｍ）と、ＮＡ＝０．４５の対物レンズを使用し、ディスクの基材厚は１．２ｍｍである。第２世代のＤＶＤは赤色光（波長λ２は６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ、標準波長６５０ｎｍ）と、ＮＡ＝０．６の対物レンズを使用し、ディスクの基材厚は０．６ｍｍである。そしてさらに、第３世代の光ディスクは青色光（波長λ１は３９０ｎｍ〜４１５ｎｍ、標準波長４０５ｎｍ）と、ＮＡ０．８５の対物レンズを使用し、ディスクの基材厚は０．１ｍｍである。

なお、本明細書中では基板の厚み（基材厚）とは、光ディスク（または情報媒体）に光ビームの入射する面から、情報記録面までの厚みを指す。このように、高密度光ディスクの基板の厚みは、従来の光ディスクと比して薄くされている。

第３世代の光ディスクに対して、青色または青紫色の光ビームを高いＮＡによって収束させる対物レンズは、そのＮＡの高さ故に、第１世代、第２世代の光ディスクに用いられていた対物レンズよりも、収差に対してより高度な配慮が求められる。

図１７、に対物レンズの模式図を示す。青色光６１０を約０．１ｍｍの厚さの透明基材１２を通して収束スポット６１１を形成する。光を絞り込む角度θを用いて開口数ＮＡはＮＡ＝sinθと定義されている。また、角度θは空気中において測定されたものである。第１の従来例である特許文献１に記載された対物レンズは、レンズの厚みを抑えながら、球面収差、コマ収差等の諸収差を小さく抑えることを目的としている。該対物レンズの外周の正弦条件違反量を、有効光束半径の０％〜９０％未満の範囲における正弦条件違反量よりも小さくなるように構成している。

また、第２の従来例である特許文献２に記載された対物レンズは、２つのレーザ光源を用い複数の光情報記録媒体に光ビームを収束する際、コマ収差性能を良好に保つことを目的としている。そのため、最大開口数で正弦条件を満足するとともに、最大開口数で所定範囲の５次コマ収差を位置基準部に対して特定方向に有している。

特開２０１０−１１３７４５号公報 特開２００１−２４９２７２号公報

第１の従来例、第２の従来例のいずれにしても、設計通りに寸分の狂いもなく対物レンズを製造できた場合に得られる性能を改善することを目的としている。すなわち、理想的な条件で対物レンズが作成できていることが前提となっている。

しかしながら、実際に対物レンズを製造する場合には、対物レンズを製造する工程で理想条件とは異なる誤差が生じる。特に、ＮＡが０．７５を超える高ＮＡ対物レンズにおいては製造時の誤差による性能劣化が無視できない。製造コストを低減するためには、製造上の誤差に対して集光性能劣化の小さな高ＮＡ対物レンズが必要である。

しかしながら、対物レンズの製造上の誤差による高ＮＡ対物レンズの集光性能劣化を課題として対物レンズや光ヘッド装置などの性能改善に取り組まれていなかった。そのため、第１の従来例、第２の従来例のいずれにも、開示がない。

本発明では上述の課題を解決するため、以下のような対物レンズ、光ヘッド装置、光情報装置、コンピュータ、光ディスクレコーダー、光ディスクサーバー等、を構成する。

本発明の対物レンズは、対物レンズの一方の面を形作る金型を上型、他方の面を形作る金型を下型と名付けたときに、上型と下型の間の相対的傾き（チルト）によって発生するコマ収差量が最も大きいコマ収差の次数と、相対的中心位置ずれ（ディセンタ）によって発生するコマ収差量が最も大きいコマ収差の次数とを、異なる次数となるように設計されていることを特徴とする。

本願発明の対物レンズは、作製した対物レンズの収差から、金型の相対的傾き（チルト）と位置ずれ（ディセンタ）のいずれを修正すべきであるかをより効率的に認識することが可能になる。こうして金型の相対位置関係を修正し、結果的に収差の少ない対物レンズを効率的に作製することが可能になるという顕著な効果を奏する。

本発明の実施の形態の対物レンズの概略断面図 本発明の実施の形態の金型と硝材の概略断面図 本発明の実施の形態の金型と硝材の概略断面図 本発明の実施の形態の金型と硝材の概略断面図 本発明の実施の形態に係る対物レンズ表面に形成する回折構造の要部概略説明図 本発明の実施の形態の対物レンズと光線を示す概略断面図 本発明の実施の形態の対物レンズと光線を示す概略断面図 本発明の実施の形態の対物レンズと光線を示す概略断面図 本発明の実施の形態の対物レンズと光線を示す概略断面図 本発明の実施の形態の光ヘッド装置の概略図 本発明の実施の形態の光ヘッド装置の概略図 本発明の実施の形態の光情報装置の概略図 本発明の実施の形態のコンピュータの構成を示す概略斜視図 本発明の実施の形態の光ディスクプレーヤーの構成を示す概略斜視図 本発明の実施の形態の光ディスクレコーダーの構成を示す概略斜視図 本発明の実施の形態の光ディスクサーバーの構成を示す概略斜視図 従来例の対物レンズの概略断面図

対物レンズを成型によって製造する場合に、一方の面を形作る金型を上型、他方の面を形作る金型を下型と名付けたときに、上型と下型の間の相対的傾き（チルト）及び相対的中心位置ずれ（ディセンタ）によって発生するコマ収差を、それぞれ独立な異なる次数のコマ収差が最も大きく発生する設計とする。例えば、チルトが生じた場合には３次コマ収差が５次コマ収差よりも大きく、中心ズレが発生した場合には５次コマ収差が３次コマ収差よりも大きく発生する用に対物レンズを設計する。あるいは、チルトが生じた場合には５次コマ収差が３次コマ収差よりも大きく、中心ズレが発生した場合には３次コマ収差が５次コマ収差よりも大きく発生するように対物レンズを設計する。

この構成により、金型のチルトと中心位置ずれを修正しようとする場合に、３次コマ収差と５次コマ収差のどちらの収差量に基づいて金型位置を修正すれば、効率よく対物レンズの収差を低減することが出来るかがわかるため、金型の位置調整が容易になるというという特有の効果を奏するものである。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

（実施の形態１）
図１は対物レンズの説明図である。光ビーム６１０を対物レンズ３０によって、透明基材１２を透して収束し、微小スポット６１１を形成する。ＢＤと呼ばれ、ＣＤ、ＤＶＤに続く第３世代の光ディスクシステムでは、光ビーム６１０の波長λ１は３９０ｎｍ〜４１５ｎｍの青色光である。波長は標準的には約４０５ｎｍ程度であり、本願では３９０ｎｍ〜４１５ｎｍの波長を総称して約４０５ｎｍと呼ぶ。また、この波長域の光を青色光と呼ぶ。１２は基材厚みｔ１が約０．１ｍｍ（以下０．０５ｍｍ〜０．１１ｍｍの基材厚を約０．１ｍｍと呼ぶ）あるいはより薄い基材厚みで、波長λ１の光ビームによって記録及び／または再生をされる第３世代の光ディスクである。光ディスク１２は、光の入射面から情報記録面までの基材のみを図示している。対物レンズ３０によって絞り込まれる光ビーム６１０の最外周部分の基材１２への入射角度θを用いて、開口数ＮＡはＮＡ＝sinθと表すことができる。ここでsinは正弦関数を表す。

図２に、対物レンズと、対物レンズを成型する際に用いる金型の例を図示する。３２は対物レンズを成型するために用いる金型の一部であり本願では下型と呼ぶ。３１も同じく金型の一部であり本願では上型と呼ぶ。上型３１と下型３２の間に対物レンズを構成する材料３３を入れ、金型の形を転写することによって対物レンズを作る。本願の対物レンズは上型と下型は共に軸３４を中心とした軸回転対称の形状に構成される。材料３３はガラスや樹脂を使うことが多いが、本願では総称してレンズ材と呼ぶ。なお、この金型を用いて使用される対物レンズは、複数の部材を組み合わせて構成された組レンズではなく、単一の部材で構成される対物レンズ（単玉対物レンズ）である。

上型と下型の中心軸が軸３４上で一致することが、対物レンズを設計する上での前提であるが、製造時には、図３に示すように金型の中心位置ずれｄ（ディセンタ）が生じるため対物レンズが光軸に対して非対称な収差を発生する。その収差は、主にコマ収差である。また、上型と下型の中心軸は互いに平行であることも対物レンズを設計する上の前提であるが、製造時には、図４に示すように角度αだけ傾く（チルトする）場合がある。すると、対物レンズが光軸に対して非対称な収差を発生する。その収差もやはり主にコマ収差である。すなわち、金型の中心位置ずれｄとチルトによって発生する収差は、いずれもコマ収差である。

次に、上型と下型の間隔や、レンズ材の屈折率も設計上の中心値があり、その中心値からのずれは対物レンズの収差となる。これらは軸３４に対する対称性を損なわないので、軸対象な収差、すなわちデフォーカスや球面収差を発生する。従って、上型と下型の中心位置ずれや傾き（チルト）とは明確に切り分けて誤差を推し量り、上型と下型の間隔を調整することによって補正することが可能である。

しかし、前述したように、対物レンズの製造時に発生する誤差のうち、上型と下型の中心位置ずれｄと傾きはいずれもコマ収差を生じる。すなわち、成形した対物レンズに大きなコマ収差があって、使えないものになってしまっても、それが上型と下型の中心位置ずれに起因するものなのか、傾きに起因するものなのかを効率よく判断することができなかった。そのため、上型と下型の中心の位置関係やお互いの傾きを変えながら、すなわち試行錯誤しながら対物レンズを試作し、性能評価することを繰り返すことによって上型とした型の相対位置と傾きを調整せざるを得なかった。そのため、製造途中に経時変化や温度変化によってずれが生じると再調整に時間がかかり、製造の効率低下の原因となっていた。

そこで本願では、コマ収差にも複数の次数があり、異なる次数の収差は互いに独立であって分離して測定可能なことに着目し、試作した対物レンズの収差が、上型と下型の中心位置ずれに起因するものなのか、傾きに起因するものなのかをより効率よく判別したり、そのずれ量を推定することに取り組んだ。本願発明は、上型と下型の位置や角度をより効率よく調整し、その結果収差性能の良好な対物レンズの実現を図る。

本願の高ＮＡ対物レンズの設計においては上型と下型の金型間のチルト及び中心位置ずれによって大きく発生するコマ収差の次数を互いに異なるものとする。例えば、上型と下型にチルトが生じた場合には、３次コマ収差が５次コマ収差よりも大きく発生し、逆に、中心ズレが発生した場合には５次コマ収差が３次コマ収差よりも大きく発生するように対物レンズを設計する。あるいは、別の一例としては、上型と下型にチルトが生じた場合には５次コマ収差が３次コマ収差よりも大きく、逆に、ずれが発生した場合には３次コマ収差が５次コマ収差よりも大きく発生するように対物レンズを設計する。

この構成により、金型の傾きと中心位置ずれを修正しようとする場合に、試作した対物レンズの収差を測定し、金型の相対的傾き（チルト）と位置ずれ（ディセンタ）のいずれを修正すべきであるかをより効率的に認識することが可能になる。すなわち金型の調整指針を得ることができるので、より効率的に金型の位置調整が可能になる。

ところで、ＮＡが０．７５以下の対物レンズにおいては、上型と下型の中心位置ずれによりコマ収差が大きく発生し、上型と下型の相対的傾きでは収差の発生量が比較的小さく、そもそも考慮する必要性が小さかった。このため金型間の傾きに着目した研究例がこれまでなかった。

そこで、我々は金型のずれや相対傾きの指標として、収差に着目した。その手段としては、中心位置ずれとチルトのそれぞれが発生するコマ収差の最大次数を異ならせることを考えた。更に、複数の高ＮＡ対物レンズ設計を行った結果、ＮＡが０．７５程度よりも大きな単レンズでは、上型と下型の傾きにより３次コマ収差が５次コマ収差よりも大きく発生する設計とすれば、対物レンズが光軸に対して傾いた場合の非点収差発生量を小さく抑えることができるという効果も更にあることに気づいたので、具体的設計例として次に述べる。上型と下型のずれによって発生する収差を、両金型の傾きによって発生する収差と異なるものとするため、５次収差が３次収差より大きく発生する設計とした。このような設計により、成型した対物レンズの収差を測定した結果から得られる５次コマ収差の大きさと方向から、金型の上型と下型のずれを軽減することが出来る方向と大きさを概算し修正することができる。そして、３次コマ収差の大きさと方向から、上型と下型の相対傾きの方向と大きさを計算し、修正することができる。なお、小さな方の収差、すなわち、ずれによる３次コマ収差や傾きによる５次コマ収差は小さい方が金型の修正量を正確に算出できるので望ましいが、多少は発生してもかまわない。たとえば、金型の中心位置のずれに対して、３次コマ収差の発生量が５次コマ収差の発生量よりも顕著に小さい、言い換えると５次コマ収差が支配的であれば、３次コマ収差はほぼ、傾きによるものと考えることができる。もし、傾きによって無視できない量の５次コマ収差が発生する場合であっても３次コマ収差から算出した傾き量から発生する５次コマ収差を計算し、それを、測定した５次コマ収差から差し引いた上で、残りの５次コマ収差からずれの方向と量を算出すればよい。

また、対物レンズの収差はマーシャルクライテリアと呼ばれる収差の限界値７０ｍλｒｍｓ（以下収差はすべてｒｍｓ値によって表示する。ｒｍｓという表示は省略する）より十分小さな値に抑えるように作製する必要があるので、３０ｍλ程になったところで最終調整段階であるといえる。一方収差は１０ｍλ以下になれば収束スポットに与える悪影響は観測できなくなり全く問題ない量であるといえる。従って、ずれや、傾きに対する３次コマと５次コマの発生量は１方が他方の１０／３０＝１／３以下であれば、小さい方をほぼ無視して大きい方の収差から修正量を算出して差し支えないと言える。

このような方針に基づいて設計した高ＮＡ対物レンズの例を示す。以下の例において、非球面は下記の数式１に基づいて光軸から外周側にサグ量を表す。

各符号の意味は以下の通りである。

Ｘ：光軸からの高さがｈの非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離
ｈ：光軸からの高さ
Ｃｊ：レンズ第ｊ面の非球面頂点の曲率（Ｃｊ＝１／Ｒｊ）
Ｋｊ：レンズ第ｊ面の円錐定数
Ａｊ，ｎ：レンズ第ｊ面のｎ次の非球面係数
ただしｊ＝１，２，３，４
また、回折面は回折光に与えられる位相変化を、下記の数式２の位相関数によって表す。

各符号の意味は以下の通りである。

φ（ｈ）：光軸からの高さがｈの非球面上の点において回折構造が生じる位相
ｈ：光軸からの高さ
Ｐｊ，ｍ：レンズ第ｊ面のｍ次の位相係数
ただしｊ＝１，２（下記の例では１のみ）
表１は第１の設計例の対物レンズの特徴を表す数値である。

口径は直径である。作動距離（working distance:WD)は、対物レンズと光ディスクの空間の間隔である。ディスク厚ＤＴは光ディスク表面から光を収束させる記録面までの厚さである。物点距離は図１において下方から対物レンズ３０へ入射する光ビームの平行度を表す。ＤＶＤは図１の下方１００mmのところを発光点とする発散光を入射させる設計としている。ＢＤは平行光を図１の下方から入射させるので物点距離は∞と表記している。波長の単位はミクロン（μｍ）である。開口数と、回折次数は無単位である。他の長さの単位はすべてｍｍである。

図１の対物レンズ３０において下側のレンズ面を第１面、上側のレンズ面を第２面と本願では呼ぶ。第１面は非球面形状に回折構造を付加している。設計例はＢＤに青色光を収束させるだけではなくＤＶＤには赤色光を収束させることのできる互換レンズである。互換を実現するため第１面を回折面としている。また、第１面は光軸まわりの内周部分と、それを取り囲む外周部分の２領域に分けて設計してある。内周部分はＤＶＤとＢＤの共用領域である。回折構造は、図５（ａ）のように１周期を３段４レベル（three stepps and four lebel）の階段形状によって構成している。なお、一周期は４個の段から成るので図５（ａ）を４段と呼ぶこともあるが、段差は３カ所、高さのレベルが４個あるということを表すため本願では４レベルの階段と呼ぶ。特開２００４−７１１３４号公報（特許３９９３８７０号公報）に開示されている。

段差の一単位は、青色光ビームに対して光路長差が約１．２５波長、すなわち位相差が約２π＋π／２になる量とする。単位段差ｄ２はｄ２＝λ1／（nb-1）ｘ１．２５に近い値とする。

格子の段差をｄ２の整数倍にし、４レベルの階段状の断面形状にすると、この形状による青色光に対する位相変調量は２π＋π／２の整数倍となり、これは実質的に、位相変調量が一段あたりπ／２であることになる。

一方赤色光ビームに対するホログラム材料の屈折率をnrはnbに近いので、段差ｄ２によって赤色光ビームに発生する光路長差は、ｄ２ｘ（nr-1）/λ1≒０．７５。すなわち、波長の約３／４倍となり、位相変調量は一段あたり約２π−π／２となる。これは実質的に、位相変調量が一段あたり−π／２であることになる。

そこで、図５（ａ）のように、格子の段差をｄ２の整数倍にし、３段４レベルの階段状の断面形状にすると、青色光ビームに対しては、段差を重ねていくと、図５（ｂ）のように位相変調量が一段あたりπ／２ずつ変化する。すなわち光路長差はλ1の＋１／４ずつ変化する。青色光ビームは＋１次回折光の回折効率が回折次数の中で、最も強くなる。

そして、赤色光ビームに対しては、段差を重ねていくと、図５（ｃ）のように位相変調量が一段あたり−π／２ずつ変化する。すなわち光路長差はλ2の−１／４ずつ変化する。−１次回折光の回折効率が回折次数の中で、最も強くなる。

一方外周部分はＢＤ専用領域であり、鋸歯形状の断面形状の回折構造を作製する。鋸歯の高さが青色光ビームに与える光路長差を波長λ１にすることにより１次回折光を得る。

表２はレンズ面を示す。

上下の順番は図１とは逆に表示しており、図１では面番号１（対物レンズの第１面）が最も下方、面番号４（光ディスクの記録面＝光を収束させる面）が最も上方に示されている。

表３は表２の中の各素材の各波長における屈折率を示す。

表４は第１面の内周部分の非球面係数と位相関数を示す。

表５は第１面の外周部分の非球面係数と位相関数を示す。

第２面は屈折面であるが、やはり内周部分と外周部分に分けて設計した。

表６は第１面の内周部分と外周部分の非球面係数を示す。

ＢＤとＤＶＤに対して、青色光が収束する様子を図６に、赤色光が収束する様子を図７にそれぞれ示す。

表７は第１の設計例において上型と下型のディセンタ（中心位置ずれ）やチルト（傾き）が生じたときのコマ３次収差（ＣＭ３）、コマ５次収差（ＣＭ５）の発生量を表す。

収差の単位はｍλｒｍｓである。チルトの０．５ｍｉｎ．は０．５分すなわち１／１２０度を表す。ディセンタ量は１．２μｍである。ＢＤに対する収差は、ディセンタが発生した場合には３次コマ収差より５次コマ収差が大きく発生し、チルトでは５次コマ収差より３次コマ収差が大きく発生する構成にした。この構成により、対物レンズが発生する収差のうち、中心位置及び傾きのどちらを調整することで効率よく所定のコマ収差（５次・３次コマ収差）を減らすことが出来るかを従来よりも容易に認識することが可能になる。

また前述したように、本願の対物レンズは収差量が１０ｍλ以下になれば光スポットに対する悪影響を無視することが可能になる。そこで、金型にチルトが発生した場合の５次コマ収差を１０ｍλ以下、すなわち３次コマ収差に対して１／３以下しか発生しないように設計した。

これにより、金型にチルトが発生した場合に発生する５次コマ収差を無視することが出来るため、この対物レンズでは５次コマ収差が、ほぼディセンタ量を表していると考えることができる。例えば、５次コマ収差が３３ｍλであればディセンタが約１．２μｍ発生していると考えることができる。この時、ディセンタで発生しているコマ収差は１７ｍλである。もし、５次コマ収差と同じ方向に３次コマ収差が５３ｍλ発生していれば、５３−１７＝３６であるから、チルトによる３次コマ収差発生量は３６ｍλとして、チルト量は０．５分と推量できる。なお、５次コマ収差と３次コマ収差の方向が異なる場合は上記の減算はベクトル計算すればよい。上記金型位置誤差の推定には傾きによるコマ５次の発生量を無視した分の誤差は小さいので、調整指針を得ることができる。

さらに赤色光を基材厚０．６ｍｍを通して開口数０．６で収束させるＤＶＤに関しては、レンズ面間の相対チルトではコマ収差発生量がわずかしか発生せず、ディセンタによるコマ３次収差のみが大きく発生する設計にした。これによって青色の５次コマ収差を測定することによってディセンタを推定し、さらにＤＶＤのコマ３次収差を推定することを可能とした。これにより２波長の互換レンズでありながら、青色光の収差のみを測定すれば両方の収差性能が判明し検査時間も検査設備も省くことができるという効果を得ることができる。

表８は第２の設計例の対物レンズの特徴を表す数値である。

第１の設計例と同じく、口径は直径である。作動距離（working distance:WD)は対物レンズと光ディスクの空間である。ディスク厚ＤＴは光ディスク表面から光を収束させる記録面までの厚さである。物点距離は図１において下方から対物レンズ３０へ入射する光ビームの平行度を表す。ＤＶＤは図１の下方１００mmのところを発光点とする発散光を入射させている。ＢＤは平行光を図１下方から入射させるので、物点距離は∞と表記している。波長の単位はミクロン（μｍ）である。開口数と、回折次数は無単位である。他の長さの単位はすべてｍｍである。

図１の対物レンズ３０において下側のレンズ面を第１面、上側のレンズ面を第２面と本願では呼ぶ。第１面は非球面形状に回折構造を付加している。設計例はＢＤに青色光を収束させるだけではなくＤＶＤには赤色光を収束させることのできる互換レンズである。互換を実現するため第１面を回折面としている。第１面は光軸まわりの内周部分とそれを取り囲む外周部分の２領域に分けて設計してある。内周部分はＤＶＤとＢＤの共用領域である。第１の設計例同様に、内周部分の回折構造は１周期を３段４レベルの階段形状によって構成し、ＢＤは＋１次回折光、ＤＶＤは−１次回折光を用いる構成としている。

一方外周部分はＢＤ専用領域であり鋸歯形状の断面形状の回折構造を作製する。鋸歯の高さが青色光ビームに与える光路長差を波長λ１の２倍にすることにより２次回折光を得る。

表９はレンズ面の性能を示す。

上下の順番は図１とは逆に表示しており、図１では面番号１が最も下方、面番号４が最も上方に示されている。

表１０は表９の中の各素材の各波長における屈折率を示す。

表１１は第１面の内周部分の非球面係数と位相関数を示す。

表１２は第１面の外周部分の非球面係数と位相関数を示す。

第２面は屈折面であるが、やはり内周部分と外周部分に分けて設計した。

表１３は第１面の内周部分と外周部分の非球面係数を示す。

ＢＤとＤＶＤに対して、青色光や赤色光をそれぞれ収束する様子を図８と図９にそれぞれ示す。

表１４は第２の設計例において上型と下型のディセンタ（中心位置ずれ）やチルト（傾き）が生じたときのコマ３次収差（ＣＭ３）、コマ５次収差（ＣＭ５）の発生量を表す。

収差の単位はｍλｒｍｓである。チルトの０．５ｍｉｎ．は０．５分すなわち１／１２０度を表す。ディセンタ量は１．２μｍである。ＢＤに対する収差は、ディセンタではコマ３次収差が顕著に大きく、チルトではコマ５次収差が顕著に大きく発生する構成にした。いずれも、大きく発生する次数のコマ収差に比べ、発生量の小さな方の次数のコマ収差は、１０ｍλ以下、すなわち１／３程度以下である。特に金型にディセンタが発生した時は、対物レンズに３次コマ収差はほとんど発生しない。

従って、この対物レンズでは５次コマ収差はほぼディセンタ量を表し、３次コマ収差はチルト量を表していると考えることができる。例えば、５次コマ収差が３５ｍλであればディセンタが１．２μｍ発生していると考えることができる。そして３次コマ収差が２８ｍλ発生していれば、チルト量は０．５分であると推量できる。なお、５次コマ収差と３次コマ収差の方向がそれぞれディセンタとチルトの方向を表していると考えればよい。こうして、金型位置誤差の推定が可能になり、調整指針を得ることができる。

ここで挙げた設計例はいずれもＢＤとＤＶＤの互換型であるが、ＢＤ専用の開口数０．８５〜０．９の対物レンズや、ＢＤとＤＶＤとＣＤへそれぞれ青色光と赤色光と赤外光を収束する三波長互換レンズであっても、本願は適用可能である。

なお、実施の形態１では、ディセンタによって発生する最大のコマ収差の次数を５次、チルト（第一面と第二面の中心軸の相対傾き）によって発生する最大のコマ収差を３次としたが、本発明はこの次数に限られない。例えば、ディセンタによって発生する最大のコマ収差が７次、チルトによって発生する最大のコマ収差が３次になるように対物レンズを設計してもよい。また、コマ収差の次数を入れ替えてディセンタによって発生する最大コマ収差が５次、チルトによって発生する最大のコマ収差が７次となるように設計したとしても、作製した対物レンズの収差から、金型の相対的傾き（チルト）と位置ずれ（ディセンタ）のいずれを修正すべきであるかをより効率的に認識することが出来ることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図１０は本発明の実施の形態２における光ヘッド装置を示す線図的説明図である。図１０において１は波長λ１（３９０ｎｍ〜４１５ｎｍ：標準的には約４０５ｎｍぐらいであり、３９０ｎｍ〜４１５ｎｍの波長を総称して約４０５ｎｍと呼ぶ）のレーザ光を出射するレーザ光源、１０はコリメートレンズ（第１の凸レンズ）である。また、８１は光軸を折り曲げる立ち上げミラー、３９は実施の形態１の対物レンズ（光学レンズ）、１２は基材厚みｔ１が約０．１ｍｍ（以下０．０５ｍｍ〜０．１１ｍｍの基材厚を約０．１ｍｍと呼ぶ）あるいはより薄い基材厚みで、波長λ１の光ビームによって記録・再生をされる第３世代の光ディスクである。光ディスク１２は、光の入射面から情報記録面までの基材のみを図示している。実際には、機械的強度を補強し、また、外形をＣＤと同じ１．２ｍｍにするため、保護板（あるいは保護材）と張り合わせを行う。光ディスク１２は厚み１．１ｍｍの保護材と張り合わせる場合もある。本発明の図面では、簡単のため、保護材は省略する。

レーザ光源１は、好ましくは半導体レーザ光源とすることにより光ヘッド装置、及びこれを用いた光情報装置を小型、軽量、低消費電力にすることができる。

光ディスク１２の記録再生を行う際には、レーザ光源１から出射した波長λ１の青色光ビーム６１０が偏光ビームスプリッタ４５によって反射され、コリメートレンズ１０によって略平行光にされる。さらに立ち上げミラー８１によって光軸を折り曲げられ、１／４波長板１７１によって円偏光になる。対物レンズ３９によって光ディスク１２の厚さ約０．１ｍｍの基材を通して情報記録面に集光される。

情報記録面で反射した青色光ビ−ム６１０は、１／４波長板１７１によって往路の直線偏光とは直角方向の直線偏光になり、もとの光路を逆にたどって（復路）、偏光ビームスプリッタ４５を透過し検出ホログラム７によって一部の光を回折される。そして、回折されない透過光と共に検出レンズ１６によって所定の非点収差を与えられて、光検出器９に入射する。光検出器９の出力を演算することによって、焦点制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。フォーカス誤差信号は、検出レンズ１６によって非点収差を与えられた集光スポットを、受光素子９内の４分割受光パターンで検出する、いわゆる非点収差法を用いて生成される。なお、光源１と検出ホログラム７から光検出器９までの信号検出系の位置とを入れ替えて、例えばビームスプリッタビームスプリッタ６の透過と反射の働きを往路と復路において入れ替えてもよい。本発明の光ヘッド装置はこの図１０に示す光学系の構成に限られるものではない。１８０は対物レンズ３０を光軸方向や光ディスク１２の半径方向に微動する駆動装置（actuator)を示す。ホログラム７は必須の構成ではなく、省いてもよい。ホログラム７省く場合は、受光素子９内の４分割受光パターンで検出した出力を演算して位相差法によってトラッキング制御に用いるサーボ信号を得ることも可能である。コリメートレンズ１０を光軸方向に移動させる移動手段も具備し、光ディスク１２の基材厚みの誤差などに起因する球面収差を補正することもできる。

（実施の形態３）
図１１は本発明の実施の形態３における光ヘッド装置を示す線図的説明図である。図１１において１は波長λ１（３９０ｎｍ〜４１５ｎｍ：標準的には４０５ｎｍぐらいなので、３９０ｎｍ〜４１５ｎｍの波長を総称して約４０５ｎｍと呼ぶ）のレーザ光を出射するレーザ光源、４８は波長λ２（６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ：標準的には６６０ｎｍを使われることが多いので、６３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長を総称して約６６０ｎｍと呼ぶ）のレーザ光を出射するレーザ光源、１０はコリメートレンズ（第１の凸レンズ）。８２は光軸を折り曲げる立ち上げミラー、３９は波長に応じて異なる厚みの基材を通して集光可能な対物レンズ（光学レンズ、あるいは集光光学系）である。１２は基材厚みｔ１が約０．１ｍｍ（以下０．０５ｍｍ〜０．１１ｍｍの基材厚を約０．１ｍｍと呼ぶ）あるいはより薄い基材厚みで、波長λ１の光ビームによって記録・再生をされる第３世代の光ディスク。１３は基材厚みｔ２が約０．６ｍｍ（０．５４ｍｍ〜０．６５ｍｍの基材厚を約０．６ｍｍと呼ぶ）で、波長λ２の光ビームによって記録・再生をされるＤＶＤ等第２世代の光ディスクである。光ディスク１２，１３は、光の入射面から記録面までの基材のみを図示している。実際には、機械的強度を補強し、また、外形をＣＤと同じ１．２ｍｍにするため、保護板（あるいは保護材）と張り合わせを行う。光ディスク１０は、厚み０．６ｍｍの保護材と張り合わせる。光ディスク１２は厚み１．１ｍｍの保護材と張り合わせる。本発明の図面では、簡単のため、保護材は省略する。

レーザ光源１や４８は、好ましくは半導体レーザ光源とすることにより光ヘッド装置、及びこれを用いた光情報装置を小型、軽量、低消費電力にすることができる。

最も記録密度の高い光ディスク１２の記録再生を行う際には、レーザ光源１から出射した波長λ１の青色光ビーム６１０が偏光ビームスプリッタ４５１によって反射され、コリメートレンズ１０によって略平行光にされ、さらに立ち上げミラー８２によって光軸を折り曲げられ、１／４波長板１７によって円偏光になる。１／４波長板１７２は波長λ１、波長λ２の両方に対して、１／４波長板として作用するように設計する。対物レンズ１１によって光ディスク１２の厚さ約０．１ｍｍの基材を通して情報記録面に集光される。

情報記録面で反射した青色光ビ−ム６１０は、もとの光路を逆にたどって（復路）、１／４波長板１７２によって初期は直角方向の直線偏光になり、偏光ビームスプリッタ４５１を透過し、検出ホログラム７によって一部の光が回折されている。そして、回折されない透過光と共に検出レンズ１６によって所定の非点収差を与えられた上で、て、光検出器９に入射する。光検出器９の出力を演算することによって、焦点制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。

次に、光ディスク１３の記録あるいは再生を行う際には、赤色レーザ４８から出射した略直線偏光で波長λ２の光ビームが偏光ビームスプリッタ４６によって反射され、偏光ビームスプリッタ４５１を透過し、コリメートレンズ１０によって略平行光にされ、さらに立ち上げミラー８２によって光軸を折り曲げられ、対物レンズ３９によって光ディスク１３の厚さ約０．６ｍｍの基材を通して情報記録面に集光される。

情報記録面で反射した光ビ−ムはもとの光路を逆にたどって（復路）、ビームスプリッタ４５１とビームスプリッタ４６を透過し、検出レンズ１６によって非点収差を与えられて光検出器９に入射する。光検出器９の出力を演算することによって、焦点制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。このように共通の光検出器９から、光ディスク１２と１３のサーボ信号を得るためには、青色レーザ１と赤色レーザ４８の発光点を、対物レンズ３９に対して結像関係にあるように配置する。こうすることにより、検出器の数も配線数も減らすことができるという効果がある。フォーカス誤差信号は、検出レンズ１６によって非点収差を与えられた集光スポットを、受光素子９内の４分割受光パターンで検出する、いわゆる非点収差法を用いて生成される。

また、光ディスク１２のトラッキング誤差信号は、検出ホログラム７によって生成された回折光を光検出器で受光して光電変換した信号を用いて生成される。また、光ディスク１２が再生専用ディスクであれば、検出ホログラム７を透過した０次回折光を、受光素子９内の４分割受光パターンで検出する、いわゆる位相差検出法を用いて生成される。

光ディスク１３のトラッキング誤差信号も、光ディスク１２の場合と同じ方法によってトラッキングエラー信号を得ても良い。他の構成としてはが、光源４８から出射する光ビームを受けて回折光を出射する回折素子４７をさらに具備し、３ビーム方式を用いてトラッキングエラー信号を得ても良い。また、検出ホログラム７を透過した０次回折光を、受光素子９内の４分割受光パターンで検出する、いわゆる位相差検出法を用いて生成してもよい。

さらに光源４８を赤外光も発する２波長光源とすることにより、ＣＤなどの第１世代の光ディスク１４も再生可能な光ヘッドを構成できる。さらに、これまでは対物レンズは対物レンズ３９の１個を用いる構成を例示したが、２個の対物レンズを用いる構成も可能である。例えば、対物レンズ３９によって青色光を光ディスク１２へ、そしてもう１つの対物レンズによって赤色光と赤外光を光ディスク１２，１３へ収束させる。このような２個の対物レンズを搭載した構成であって、も一方を本願の対物レンズ３９とする上ことが可能であり、最も作製の困難な高ＮＡ対物レンズを効率よく作製でき、大量生産可能であり、コストも低く抑えることができるという効果を得ることができる。

コリメートレンズ１０を光軸方向に移動させる移動手段も具備し、光ディスク１２の基材厚みの誤差などに起因する球面収差を補正することもできる。

（実施の形態４）
さらに、本発明の光ヘッド装置を用いた光情報装置の実施例を、図１２に示す。図１２において光ディスク１２（あるいは１３，１４、以下同じ）は、ターンテーブル６２に乗せられ、モーター６４によって回転される。実施の形態２〜３に示した光ヘッド装置６０は、前記光ディスクの所望の情報の存在するトラックのところまで、光ヘッド装置の駆動装置６５によって粗動される。

前記光ヘッド装置６０は、また、前光ディスク１２との位置関係に対応して、フォーカスエラー（焦点誤差）信号やトラッキングエラー信号を電気回路６６へ送る。前記電気回路６６はこの信号に対応して、前記光ヘッド装置６０へ、対物レンズを微動させるための信号を送る。この信号によって、前記光ヘッド装置６０は、前記光ディスクに対してフォーカス制御と、トラッキング制御を行い、前記光ヘッド装置６０によって、情報の読みだし、または書き込み（記録）や消去を行う。

本実施例の光情報装置は、光ヘッド装置として、本発明で上述した光ヘッド装置を用いるので、高ＮＡ対物レンズを効率よく作製でき、大量生産可能であり、コストも低く抑えることができるという効果を有する。

（実施の形態５）
実施の形態４に記した光情報装置６７を具備した、コンピュータ１００の実施の形態を示す。上述の実施の形態の光情報装置６７を具備した、あるいは、上述の記録・再生方法を採用したコンピュータ１００や、光ディスクプレーヤー、光ディスクレコーダーは、光情報システムと総称することもできる。光ヘッド装置として、本発明で上述した光ヘッド装置を用いるので、高ＮＡ対物レンズを効率よく作製でき、大量生産可能であり、コストも低く抑えることができるという効果を有する。

図１３において、実施形態４の光情報装置６７と、情報の入力を行うためのキーボードあるいはマウス、タッチパネルなどの入力装置１０３と、前記入力装置から入力された情報や、前記光情報装置６７から読み出した情報などに基づいて演算を行う中央演算装置（ＣＰＵ）などの演算装置１６４と、前記演算装置によって演算された結果などの情報を表示するブラウン管や液晶表示装置、プリンターなどの出力装置１０２を備えたコンピュータ１００を構成する。

（実施の形態６）
実施形態４に記した光情報装置を具備した、光ディスクプレーヤーの実施の形態を図１４を用いて示す。

図１４において、実施形態４の光情報装置６７と、前記光情報装置から得られる情報信号を画像に変換する情報から画像への変換装置（例えばデコーダー１６６）を有する光ディスクプレーヤー７７を構成する。また、本構成はカーナビゲーションシステムとしても利用できる。また、液晶モニターなどの表示装置１２０を加えた形態も可能である。

（実施の形態７）
実施形態４に記した光情報装置を具備した、光ディスクレコーダーの実施の形態を下記に示す。図１５を用いて実施形態７を説明する。

実施形態４の光情報装置６７と、画像情報を、前記光情報装置によって光ディスクへ記録する情報に変換する画像から情報への変換装置（例えばエンコーダー１６８）を有する光ディスクレコーダーを構成する。望ましくは、前記光情報装置から得られる情報信号を画像に変換する情報から画像への変換装置（デコーダー１６６）も有することにより、既に記録した部分を再生することも可能となる。情報を表示するブラウン管や液晶表示装置、プリンターなどの出力装置１２０を備えてもよい。

（実施の形態８）
図１６を用いて実施の形態８を説明する。図１６において光情報装置６７は実施形態４に記した光情報装置である。また、入出力端子１３５は光情報装置６７に記録する情報を取り込んだり、光情報装置６７によって読み出した情報を外部に出力したりする有線または無線の入出力端子である。これによって、ネットワーク、すなわち、複数の機器、例えば、コンピュータ、電話、テレビチュウナー、などと情報をやりとりし、これら複数の機器から共有の情報サーバー１３０（光ディスクサーバー）、として利用することが可能となる。異なる種類の光ディスクを安定に記録あるいは再生できるので、広い用途に使用できる効果を有するものとなる。情報を表示するブラウン管や液晶表示装置、プリンターなどの出力装置１２０を備えてもよい。

さらに、複数の光ディスクを光情報装置６７に出し入れするチェンジャー１３１を具備することにより、多くの情報を記録・蓄積できる効果を得ることができる。

なお、上述の実施の形態５〜８において出力装置１２０等を示したが、出力端子を備えて、出力装置１２０は持たず、別売りとする商品形態があり得ることはいうまでもない。また、図１４と図１５には入力装置は図示していないが、キーボードやタッチパネル、マウス、リモートコントロール装置など入力装置も具備した商品形態も可能である。逆に、上述の実施の形態５〜８において、入力装置は別売りとして、入力端子のみを持った形態も可能である。

本発明は、例えば光ディスクなどの光情報媒体上に記憶される情報の記録・再生あるいは消去を行う光ヘッド装置とその光ヘッド装置に搭載される対物レンズ及び光情報装置（光情報装置）および、これらを応用したシステムに利用することが出来る。

１，４８ 光源
４５，４６，４５１ ビームスプリッタ
７ 検出ホログラム
８１，８２ 立ち上げミラー
９ 光検出器
１０ コリメートレンズ
３１ 上型
３２ 下型
３３ レンズ材
３９ 対物レンズ
１２，１３，１４ 光ディスク
１６ 検出レンズ
１７１，１７２ １／４波長板
６０ 光ヘッド装置
６５ 光ヘッド装置の駆動装置
６６ 電気回路

Claims (15)

1. 青色光を収束させる開口数が０．７５よりも大きな高開口数の光ヘッド装置に用いる単玉対物レンズであって、
   一方の光学面を第一面、対抗する他方の光学面を第二面としたときに、
   第一面と第二面の中心軸の相対位置ずれによって発生するコマ収差の中でＮ次のコマ収差が最大であって、
   第一面と第二面の中心軸の相対傾きによって発生するコマ収差の中でＭ次のコマ収差が最大であって、
   ＮとＭは３以上の奇数であって
   ＮとＭが異なることを特徴とする対物レンズ。
2. 前記Ｎは５であり、前記Ｍは３であることを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
3. 前記第一面と前記第二面の中心軸の相対位置ずれによって発生する５次コマ収差に比べ、３次コマ収差発生量が１／３以下であることを特徴とする請求項２記載の対物レンズ。
4. 前記第一面と前記第二面の中心軸の相対傾きによって発生する３次コマ収差に比べ、５次コマ収差発生量が１／３以下であることを特徴とする請求項２記載の対物レンズ。
5. 前記第一面に回折構造を一体形成し、青色光を基材厚約０．１ｍｍを通して収束し、赤色光を基材厚約０．６ｍｍを通して収束し、
   前記第一面と前記第二面の中心軸の相対ずれによって発生する３次コマ収差に比べ、５次コマ収差発生量が小さいことを特徴とする請求項１〜４記載のいずれかの対物レンズ。
6. 請求項１〜５記載のいずれかの対物レンズの第一面と第二面を転写成形する１組の金型であって、前記金型は非球面形状あるいは回折面形状を具備することを特徴とする対物レンズ金型。
7. 青色光を収束させる開口数が０．７５よりも大きな高開口数の光ヘッド装置に用いる単玉対物レンズを成形する際に金型の位置を調整する作製方法であって、
   前記対物レンズは、一方の光学面を第一面、対抗する他方の光学面を第二面としたときに、
   第一面と第二面の中心軸の相対位置ずれによって発生するコマ収差の中でＮ次のコマ収差が最大であって、第一面と第二面の中心軸の相対傾きによって発生するコマ収差の中でＭ次のコマ収差が最大であって、ＮとＭは３以上の奇数であって、ＮとＭが異なっており、
   作製された対物レンズの５次コマ収差の方向と大きさを指針として、前記第一面と前記第二面を作製する金型の光軸ずれの調整方向と調整量を定めることを特徴とする対物レンズ作製方法。
8. 前記５次コマ収差を低減するように前記第一面と前記第二面との光軸ずれを修正した後に、前記３次コマ収差の方向と大きさを指針として、前記第一面と前記第二面を作製する金型の光軸ずれの調整方向と調整量を定めることを特徴とする請求項７に記載の対物レンズ作製方法。
9. 第一レーザ光源と、前記第一レーザ光源から出射される第一の光ビームを受けて基材厚ｔ１の基材を通して光情報媒体の記録層上へ微小スポットに集光する集光光学系と、前記光情報媒体の記録層上で反射した前記第一の光ビームを受けてその光量に応じて電気信号を出力する受光部を形成した光検出器とを具備し、
   前記集光光学系は請求項１〜５記載のいずれかの対物レンズを含むことを特徴とする光ヘッド装置。
10. 請求項９記載の光ヘッド装置と、
    光情報媒体を回転するモーターと、
    前記光ヘッド装置から得られる信号を受け、前記信号に基づいて前記モーターや光学レンズやレーザ光源を制御および駆動する電気回路
    を具備する光情報装置。
11. 請求項１０記載の光情報装置と、
    情報を入力するための入力装置あるいは入力端子と、
    前記入力装置から入力された情報や前記光情報装置から再生された情報に基づいて演算を行う演算装置と、
    前記入力装置から入力された情報や前記光情報装置から再生された情報や、前記演算装置によって演算された結果を表示あるいは出力するための出力装置あるいは出力端子を備えたコンピュータ。
12. 請求項１０記載の光情報装置と、
    前記光情報装置から得られる情報信号を画像に変換する情報から画像へのデコーダーを有する光情報媒体プレーヤー。
13. 請求項１０記載の光情報装置と、
    前記光情報装置から得られる情報信号を画像に変換する情報から画像へのデコーダーを有するカーナビゲーションシステム。
14. 請求項１０記載の光情報装置と、
    画像情報を前記光情報装置によって記録する情報に変換する画像から情報へのエンコーダーを有する光情報媒体レコーダー。
15. 請求項１０記載の光情報装置と、
    外部との情報のやりとりを行う入出力端子を備えた光ディスクサーバー。

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