JP3858523B2 - 対物レンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対物レンズに係り、特に基板厚さの異なる光ディスクの互換再生に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは高密度化の一途をたどり、民生用再生専用光ディスクである０．６５ＧＢのＣＤ−ＲＯＭに対して４．７ＧＢのＤＶＤ−ＲＯＭが発売されている。ところがＤＶＤとＣＤでは基板の厚さが異なり、ＤＶＤでは０．６ｍｍ、ＣＤでは１．２ｍｍである。このような違いは、記録密度の向上の目的で対物レンズの集光力の指標であるレンズの集光角度のｓｉｎ値、すなわち開口数（ＮＡ）を、ＤＶＤでは、ＣＤの０．４５より大きい０．６としたため、ディスク傾きなどによる収差の発生を抑えたことによる。ＤＶＤドライブ装置においてはＣＤの再生が必須と考えられ、このようなディスク基板厚さの違いは対物レンズの対応基板厚の選択において問題となる。
【０００３】
まずこの対応基板厚の意味について説明する。光ディスクでは通常、ほこりなどにより記録情報の再生ができなくなることを防ぐため、記録面をつけたポリカーボネートなどの透明基板の裏側から基板越しに記録膜面に光を集光して再生している。このようにすると例えば基板厚さ０．６ｍｍのＤＶＤの場合、基板の表面での光スポットは０．５ｍｍ程度になり、０．１ｍｍ以下程度の大きさのほこりであれば読み取りにあまり影響を及ぼさない。これにより光ディスクでは磁気ディスクと異なり、ユーザが自分でディスクを交換して再生することができている。ところがこのように基板越しに光を集光する場合、対物レンズはその基板厚さに合わせた形状とする必要がある。例えば理想的に集光されている光束中に、ある厚さを持った透明基板を挿入すると、基板に対して垂直に入射する光線と、斜めに入射する光線では、当然ながら後者の方が基板中の光路が長くなる。このような光路差が収差と呼ばれていて、光が絞れなくなる原因となる。ところがこのような収差は、あらかじめ挿入される基板の厚さがわかっていれば、レンズの形状によって補償することが可能である。したがって光ディスク装置の光ヘッドでは、通常再生する光ディスクの基板厚を特定して、それに対応した対物レンズを用いる。以上のように対応基板厚とは、ある対物レンズによる集光光束中に挿入して収差を生じることなく、光を理想的に集光できる基板の厚さである。
【０００４】
このように通常の個々の光ディスク用対物レンズには対応基板厚が決まっているため、ＤＶＤとＣＤとの互換再生において問題となっていた。
【０００５】
これに対して例えば特開平６−１２４４７７号では、液晶を用いてＣＤ再生においては開口を制限して収差の大きい周辺部を遮光することにより、ＤＶＤ用レンズによるＣＤ再生における基板厚誤差による収差を低減していた。基板厚誤差によって生じる収差は球面収差と呼ばれ、ＮＡの４乗に比例して増大する。したがって開口によりＮＡを小さくすると収差も低減する。一方、ＤＶＤ再生では遮光しないように開口の有り無しをきりかえて用いる。ここで本従来例はＤＶＤ用の再生波長である６５０ｎｍによりＣＤを再生することを意図している。つまり従来のＣＤに用いられていた波長７８０ｎｍよりも波長が短かい。集光スポット径は波長をλとするとλ／ＮＡに比例するため、波長が短いと必要なＮＡも小さくできる。したがって結果的にＣＤ再生を６５０ｎｍで行なうことで開口のＮＡを０．４５より小さくでき、これによって従来例では必要な収差低減効果を得ていた。ところが従来例には、ＣＤと互換性があり、最近普及の著しい書き込み可能なＣＤ−Ｒ（ＣＤ−Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）の再生には対応できないという問題点がある。というのはＣＤ−Ｒは記録膜に７８０ｎｍでのみ十分な反射率を有する色素媒体を用いており、ＤＶＤ再生波長６５０ｎｍでは反射率が低下し、信号再生ができないからである。ＣＤ−Ｒを再生するには７８０ｎｍの光源を別途、光ヘッドに搭載する必要がある。このとき波長は従来のＣＤと同じになるため制限開口のＮＡは従来の０．４５以上にする必要があり、十分な収差の低減効果が得られなくなる。
【０００６】
また他の従来例として特開平９−２３７４３１号では、輪帯状領域の光を遮蔽する方法が述べられている。ここではＤＶＤ用レンズでＣＤを再生するときに収差が大きく変化し始める輪帯領域の光を遮蔽することにより、ＣＤ再生の光スポットを直接劣化させる領域のみ除去する方法である。というのは収差が非常に大きく、波面の傾きが大きい領域の光線は波面の垂直方向に進行するため、焦点の位置から大きくはずれて散逸し、実質スポット性能に影響を及ぼさないからである。 ＤＶＤ再生においては輪帯状の遮光領域より内側と外側の光は実質上収差なく集光される。このとき輪帯状遮蔽領域の光はＤＶＤ再生でも遮光されるが、その領域を許容範囲に狭くすることにより、液晶のような素子を用いることなく、実質上同等の効果を得ることができる。ところが逆に実質上開口を制限するのと等価であるため、これも７８０ｎｍによるＣＤ−Ｒ再生には対応できないという問題点がある。
【０００７】
またさらに従来の他の技術が、特開平８−５５３６３号に記載されている。ここでは基板厚さの異なる２種類の光ディスクを異なる波長の光源でそれぞれ再生し、２つの半導体レーザのレンズからの距離を変えることで対物レンズに入射する光の発散または収束の状態をずらし、これによって基板厚さずれによる球面収差を補償する方法が述べられている。この方法を用いればＣＤ再生に７８０ｎｍ、ＤＶＤ再生に６５０ｎｍの半導体レーザを用いて、１つの対物レンズでＤＶＤとＣＤの互換再生ができ、合わせてＣＤ−Ｒの再生も可能である。ところがこのように２つの光源の位置を異ならせると、半導体レーザと対物レンズとの相対的な位置ずれの許容範囲が狭くなることが知られている。というのは対物レンズの設計において、入射光の入射角がずれてもコマ収差が急激に発生しない条件として正弦条件とよばれる条件が存在するが、これは特定の物像間距離でのみ成立し、２種類の物像間距離の両立は不可能であるからである。すなわち例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザの配置で正弦条件を満たすと、７８０ｎｍの半導体レーザの配置ではこれを満たすことができない。この場合たとえばディスクが偏心して回転していると、トラッキング制御のときに対物レンズがそれに追随して移動することになり、半導体レーザとの相対位置がずれて急激に収差が発生してしまう。
【０００８】
従来のさらに他の技術は、例えば本発明者らによる特開平１０−２５５３０５号に記載されている。ここでは図１に示すように、対物レンズ１の対応基板厚が内側領域１１で０．７６ｍｍ、外側領域１２で０．６ｍｍのレンズに、輪帯溝状の凹部で形成された輪帯位相シフタ１３が作られている。輪帯位相シフト領域の対応基板厚は内側領域と同じ０．７６ｍｍとなっている。ここではＣＤとＤＶＤの対応基板厚の両立のため、レンズの光軸に近い中央部分の領域のみ対応基板厚を、ＤＶＤにおける０．６ｍｍからややＣＤの１．２ｍｍに近づけた０．７６ｍｍにしてＣＤ再生において中心領域で発生する収差を低減し、さらに残留する収差を低減し、基板厚誤差でＤＶＤ再生において発生する収差をも低減するため、輪帯位相シフタ１３を用いている。なお、この対物レンズは６５０ｎｍの光も、７８０ｎｍの光も平行光として対物レンズに入射させることを想定しており、上記の従来例にあるような対物レンズずれによってどちらかの波長の光が急激に増大することがないという利点がある。
【０００９】
図２は従来例におけるＤＶＤ再生時とＣＤ再生時の波面収差の計算値である。ここで波面収差とは光源である半導体レーザから、対物レンズまでの光路長の誤差をレンズの有効光束（瞳）における光線位置について表したものである。ただし図２においては収差が±０．５λを越える範囲は実質的に等しい位相値である±０．５λの範囲に折りたたんで表示している。輪帯位相シフタの位相シフト量はＣＤ再生において−１．７６λとしている。ここで負の位相シフトは光路長が短くなることを意味し、段差が凹であることを示す。するとＣＤでは実質、この小数点以下の位相シフト量が±０．５λの範囲となるように２を加算した０．２４λの正の位相シフトが加わることになる。一方ＤＶＤ再生では屈折率が波長７８０ｎｍで１．５８３、６５０ｎｍで１．５８６として、−１．７６／（１．５８３−１）×７８０／６５０×（１．５８６−１）＝−２．１２λとなる。これについても位相シフト量が±０．５λの範囲となるように２を加算すると−０．１２λとなり、図２に示すような負の位相シフトが加わることになる。このような効果はそれぞれの波長で要求される位相シフトの符号が決まっているため、輪帯位相シフタが凹の場合と凸の場合で等価でない。たとえば凸の位相シフタで上記とほぼ同等の位相シフト量を実現するためには、ＣＤの位相シフト量を＋３．２４λとして、３．２４／（１．５８３−１）×７８０／６５０×（１．５８６−１）＝３．９１λとなり位相シフト量が±０．５λの範囲となるように４を減算して−０．０９λとなる。ところがこのように整数部を含めた位相シフトの絶対値が大きくなると、段差が深くなり加工が難しくなるばかりか、温度変動による波長ずれなどによる位相シフト量の誤差がほぼ整数部に比例して増大する。したがってここでは段差は凹とするのが望ましい。以上のようにして図２のように得られた波面収差については、マレシャルの基準によれば光スポットが良好に集光されるには、例えばＲＭＳ値が０．０７λ（λは光波長）以下であることが必要である。これに対してＤＶＤ再生においてはＲＭＳ波面収差０．０２λとなり良好な性能を有している。ＣＤ再生においては、波面収差が周辺部分で非常に大きくなっているものの、設計上有効なＮＡの範囲においては上記基準を満たしている。周辺部の収差の大きい光は波面の傾斜が非常に大きいため容易に散逸し、実質的に中心部分のみによる光スポットへの影響はない。このようにしてＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ再生において、互換再生が実現できた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
輪帯位相シフタを対物レンズに一体成形する上記従来例においては、ＣＤ−Ｒの再生のみに対応し、ＣＤ−Ｒ記録装置では収差の低減が十分でないという問題点があった。というのはＣＤ−Ｒ記録装置ではＣＤの記録情報ピットと同等の記録マークを高精度に記録するため、再生のＮＡより大きいＮＡ０．５の対物レンズを用いているからである。上記従来例はＣＤ−Ｒについても再生しか考慮していないため、波長７８０ｎｍでＮＡ０．４５のＣＤ−ＲＯＭ光ピックアップと同等の光スポットしか形成できない。したがってＮＡ０．５の範囲においては収差が増大して、ＣＤ−Ｒ記録に対応できない。
【００１１】
上記問題点に鑑み、本発明において解決すべき課題は、ＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録を両立する対物レンズを実現することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、少なくとも２面の屈折面を有する上記従来例における対物レンズにおいて、２面の少なくとも一方に、レンズの光軸付近の円形領域が段差を持って突出させる。すなわち輪帯陥没領域である輪帯位相シフタとシフト方向が反転した円形突出領域である円形位相シフタを付加する。このようにすると図２における中心領域の波面収差の凹凸を軽減し、ＲＭＳ波面収差を低減でき、ＣＤ再生における有効光束を拡張し、ＣＤ−Ｒ記録に必要な光スポット性能を実現できる。
【００１３】
またこのとき、上記従来例において述べたように、少なくともこの円形突出領域は、最適基板厚をＤＶＤ基板厚０．６ｍｍより、ＣＤ基板厚１．２ｍｍに近い基板厚さとしておく。すなわちこの領域のみについて言えば、基板厚が０．６ｍｍの光ディスクを再生する場合よりも、基板厚が０．６ｍｍより厚い光ディスクを再生するときの方が収差が小さくなる。また同時に輪帯陥没領域より外側の領域においては、ＤＶＤに対して最適なように、対応基板厚を０．６ｍｍとしておく。すなわち基板厚が０．６ｍｍの光ディスクを再生するときが最も収差の小さい形状とする。
【００１４】
さらに具体的には、全有効光束径に対する上記円形突出領域への入射光束径比をＲ1、前記輪帯陥没領域の内径にかかる光束径比をＲ2、前記輪帯陥没領域の外径にかかる光束径比をＲ3とするとき、
０．２２≦Ｒ1≦０．３５、０．４０≦ Ｒ2≦０．５０、０．７５≦Ｒ3≦０．８２、Ｒ1≦ Ｒ2≦ Ｒ3
を満たすようにすると効果がある。
【００１５】
またこのような対物レンズにおいて少なくとも内側の円形突出領域におけるもっとも収差の小さくなる基板厚さが０．７４ｍｍ以上０．８５ｍｍ以下となるようにすると、より効果が大きい。
【００１６】
またこのような対物レンズを、少なくとも２つの波長の半導体レーザ、およびレンズやプリズム、ミラー、光検出器などと一体として光ヘッドを構成することにより、初めてＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録の両立が可能な光ヘッドとなる。
【００１７】
さらにこのような２波長の光源を搭載した光ヘッドに用いる対物レンズにおいて、上記円形突出領域、および輪帯陥没領域における段差によって生じる光路長差がそれぞれφ1およびφ2、２つの波長のうち長い波長、すなわちＣＤ再生波長をλ1とするとき、１．６７λ1≦φ1≦１．８７λ1、−１．８７λ1≦φ2≦−１．６７λ1
を満たすようにすると効果がある。
【００１８】
このとき同時に２つの波長のうち短い波長、すなわちＤＶＤ再生波長をλ2とするとき、２．００λ2≦φ1≦２．２４λ2、−２．２４λ2≦φ2≦−２．００λ2を満たすようになる。
【００１９】
またこれらの段差を有する対物レンズと、少なくとも２つの波長の半導体レーザ、およびレンズやプリズム、ミラー、光検出器などと一体として光ヘッドを構成することにより、初めてＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録の両立が可能な光ヘッドとなる。
【００２０】
またこのような光ヘッドを、少なくとも２種類の基板厚さの光ディスクをともに再生または記録再生できるような機構、および制御回路、などを一体として光ディスク装置を形成することにより初めてＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録の両立が可能な光ディスク装置となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図３は本発明による対物レンズ３の概略形状を示す図である。ここでは図１に示した対物レンズと同様にして輪帯陥没領域である輪帯位相シフタ３１を含む中心領域の最適基板厚をｄ1とし、それよりも外側の領域の最適基板厚をｄ2としている。ｄ2についてはＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒの互換再生のためには０．６ｍｍとすればよい。ＤＶＤ再生、およびＣＤ再生におけるこの基板厚誤差による収差を、少ない位相シフトの絶対値でともに低減するため、輪帯陥没領域である輪帯位相シフタ３１は前記従来例と同様、凹状の溝で構成されている。さらに本発明においては、輪帯陥没領域である輪帯位相シフタ３１の内側に凸状の円形突出領域である円形位相シフタ３２が付加されている。これによりＣＤ再生、ＤＶＤ再生における収差をさらに低減することをねらっている。
【００２３】
図4はＣＤ再生時における有効ＮＡに対して、ＤＶＤでの再生波面収差許容値を変えて、前記従来例において述べた輪帯位相シフタを用いた方法と、今回の新しい形状における設計での規格化中心強度を示したグラフである。ＣＤの再生波長は０．７８５μm、ＤＶＤの再生波長は０．６５５μm、ＤＶＤ再生ＮＡは０．６、基板厚はＣＤ１．２ｍｍ、ＤＶＤ０．６ｍｍである。また最適化にあたっては円形突出領域と輪帯陥没領域での位相差の絶対値は等しく、円形突出領域では正（光路長増）、輪帯陥没領域では負の位相シフト（光路長減）を与え、最適基板厚の変化の境界は輪帯陥没領域の外径と一致させている。ここで規格化中心強度とは前記従来例、特開平１０−２５５３０５において述べたように、有効ＮＡの範囲内に入射する一様な強度の総光量に対して集光スポットの中心強度の比を示しており、いわゆるストレール強度に全ＮＡに対する有効ＮＡの比の２乗をかけたものである。ストレール強度はＲＭＳ波面収差をＷrms、波長をλとするとき、１−（２πＷrms／λ）２に相当し、収差の許容範囲の基準であるマレシャルの基準では、ストレール強度０．８以上、すなわちＷrms ≒０．０７λ以下が必要であると言われている。しかしながら収差がある場合に最適な制限開口のＮＡを決めるには、単なるストレール強度では評価指標としては適切でない。なぜならストレール強度はＮＡを固定したときの収差の評価基準であって、この場合のようにＮＡの異なる光スポットの良否は評価できないからである。ＮＡが大きいほど、収差がない場合の光スポットは小さくなるので、ベースとなる光スポットは小さくなるが、収差はＮＡが大きいほど大きくなるのでスポットの劣化はより顕著になる。したがって収差とＮＡのバランスで最適なＮＡがあるはずであり、その評価指標としてここでは上記の規格化中心強度を用いている。たとえばＮＡ０．６で無収差の規格化中心強度は１、無収差のＣＤ−Ｒ記録用光スポットは、ＮＡ０．５で無収差であるからその規格化中心強度は（０．５／０．６）２＝０．６９４である。ＣＤ−Ｒ記録用光スポットでマレシャル基準の収差がある場合にはこの０．８倍であり、０．５５６となる。したがって収差がある光スポットでは規格化中心強度が０．５５６以上である必要がある。図４においてはこの無収差のＣＤ−Ｒ記録スポットのレベルを太い実線で、マレシャル基準を破線で示している。設計値の曲線は大きく２組あり、１組はピークにおいても破線を越えないのに対して、もう１組はＮＡ０．４８から０．５３位の範囲において破線を越えている。前者が従来設計による値であり、後者が本発明による新しい設計法による計算結果である。それぞれ複数の曲線があるのは、ＤＶＤ再生において許容するＲＭＳ収差の値を変えたものであり、それぞれ上から０．０２９λ、０．０２５λ、０．０２１λである。この程度の値はマレシャル基準に比べて十分小さく、設計上の残存収差としても許容できる。また当然ながらＤＶＤの許容収差値が大きいほどＣＤ再生スポットの品質が向上し、規格化中心強度が大きくなる。このように本発明においてはＣＤ用光スポットの有効ＮＡを約０．５１にすれば、ＣＤ−Ｒ記録用光スポットのマレシャル基準を上まわる光スポットが実現できることがわかる。
【００２４】
図５は図４の新しい形状の設計における、内側円形突出領域、輪帯陥没領域内径、輪帯陥没領域外径の設計値を示したものであり、縦軸はＮＡ値で領域境界を示している。それぞれ図４におけるＤＶＤ再生での異なる許容収差値での設計値を重ねて表示している。これによれば領域境界位置はＤＶＤ再生での許容収差値にはほどんど依存していないことがわかる。マレシャル条件以上の範囲となるこれらの値は、内側円形突出領域はＮＡ値で約０．１４〜約０．２０、輪帯陥没内側は約０．２５〜約０．２９、輪帯陥没外径は約０．４５〜約０．４９の範囲となっている。ＮＡ０．４２以下で輪帯陥没内径と外径が一致しているのは、輪帯陥没領域が存在しない方が規格化中心強度が高いことを示しており、その場合の数値は有効ＮＡと一致した値を表示している。
【００２５】
図６は図４の本発明での設計における、輪帯陥没部の位相シフト量を示している。なお、すでに述べたように円形突出領域での位相シフト量は輪帯陥没領域と絶対値を等しく、符号を反転させている。これによれば位相シフト量はＤＶＤ再生時の許容収差量によって異なり、０．０２１λから０．０２９λの範囲においては、位相シフト量はＣＤ再生波長０．７８５μｍをλとして約−１．８１〜約−１．７４λの範囲でマレシャル条件を上回る。
【００２６】
図７は図４の本発明での設計における、内側領域の最適基板厚を示している。ここですでに述べたように最適基板厚変化の境界は輪帯陥没領域の外径に一致させている。これによれば内側最適基板厚はＤＶＤ再生時の許容収差量によって異なり、０．０２１λから０．０２９λの範囲においては、約０．８５〜０．７４ｍｍの範囲であることがわかる。ＤＶＤの許容収差が大きいほどＣＤに適した形状が許容されるため、内側最適基板厚は１．２ｍｍに近づいている。またＣＤ再生の有効ＮＡが小さいほど、ＣＤ用の領域が狭くなるため、内側基板厚は１．２ｍｍに近い値が許容される方向となっている。
【００２７】
図８は図４におけるＤＶＤ波面収差許容値０．０２９λのときのおそらく最も規格化中心強度の高い結果を探索した設計例における波面収差形状である。このときＣＤの有効ＮＡは０．５０９であった。図２に比べて段差部が増えているものの、ＣＤにおける収差の低い領域が拡大していることがわかる。このとき内側最適基板厚は０．８１ｍｍ、ＣＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで１．７８１λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−１．７８１λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで２．１３４λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−２．１３４λである。これらは小数点以下が±０．５λ以下になるように整数部に２を加算または減算すると、円形突出領域の位相シフタで−０．２１９λ、輪帯陥没領域の位相シフタで０．２１９λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで０．１３４λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−０．１３４λである。グラフでは実質的にこの値が位相シフトに作用している。また境界部のＮＡは円形突出領域の位相シフタ外縁部が０．１８２、輪帯陥没領域の位相シフタ内径部が０．２７５、輪帯陥没領域の位相シフタ外縁部が０．４７５、ＣＤ−Ｒ記録ＮＡが０．５０９である。
【００２８】
図９はＤＶＤの波面収差を図８の実施例よりやや改善させることを意図し、図４でのＤＶＤ許容波面収差０．０２５λのときのＣＤ再生での規格化中心強度の最大値を探索した結果得られた設計例における波面収差形状である。このとき内側最適基板厚は０．７８ｍｍ、ＣＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで１．７８λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−１．７８λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで２．１３３λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−２．１３３λである。これらは小数点以下が±０．５λ以下になるように整数部に２を加算または減算すると、円形突出領域の位相シフタで−０．２２λ、輪帯陥没領域の位相シフタで０．２２λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで０．１３３λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−０．１３３λである。また境界部のＮＡは円形突出領域の位相シフタ外縁部が０．１８３、輪帯陥没領域の位相シフタ内径部が０．２７２、輪帯陥没領域の位相シフタ外縁部が０．４７５、ＣＤ−Ｒ記録ＮＡが０．５１である。
【００２９】
図１０にＣＤ−Ｒ記録用の従来の光ヘッドにおけるディスク面上スポットプロファイルの計算結果を示す。ここで同じプロファイルに対して、左は鳥瞰図、右は等高線図である。なおここでは波長７８５ｎｍ、ＮＡ０．５、入射光のレンズエッジにおける強度（リム強度）は図中ｘ側で０．７６、ｙ側で０．１５として強度分布はガウス分布を仮定している。また等高線図の下の数値はスポット径とサイドローブ強度であり、ＷＨＸはｘ方向の半値全幅、ＷＨＹはｙ方向の半値全幅、ＷＥＸはｘ方向の１／ｅ＾２の全幅、ＷＥＹはｙ方向の１／ｅ＾２の全幅、ＳＤＸはｘ方向のサイドローブ強度の中心強度比、ＳＤＹはｙ方向のサイドローブ中心強度比である。スポット径の単位はすべてμｍである。
【００３０】
図１１に、これに比較して例えば図８で示した波面収差形状を与える本発明による対物レンズのＣＤ−Ｒ記録用スポットプロファイルを示す。ここでは集光のＮＡは０．６であり、収差の大きい周辺部分の光も合わせて計算している。リム強度は図１０に対してＮＡの大きい分、低減している。これによればスポット径は若干増大しているものの、誤差は１％程度であってほとんどばらつきの範囲内であると考えられる。
【００３１】
図１２は同様にして、通常のＤＶＤ専用のレンズを用いて、波長６５５ｎｍでＤＶＤを再生するときの光スポットプロファイルの計算結果である。このとき対物レンズへの入射光の強度分布は、やはりガウス分布を仮定し、リム強度はｘ方向で０．５７、ｙ方向で０．４９である。
【００３２】
これに対して図１３が図８に波面収差形状を示した本発明による対物レンズを用いて、波長６５５ｎｍでＤＶＤを再生するときの光スポットプロファイルの計算結果である。入射光の条件は図８と同一である。これについてはスポット径、サイドローブ強度ともほとんど図１２と同等の光スポットが得られていることがわかる。
【００３３】
図１４は図１０に示した通常のＣＤ−Ｒ用対物レンズによる光スポットを用いて、ＣＤ−ＲＯＭを再生した場合の再生信号アイパターンを計算したものである。これはＣＤ−ＲＯＭのランダムなコードパターンについて、再生信号を再生クロックに同期させて重ねたもので、ちょうどオシロスコープにおいて再生信号の立ち上がりをトリガーとして同期をとって表示した信号に相当する。信号品質の評価指標は中央部の格子の交差部の幅であり、クロックとの時間方向のずれの標準偏差として表したジッタを格子の幅（検出窓幅）で規格化してパーセント表示した値を用いる。図１４ではこの値が３．４％であった。ただし計算においては、隣接トラックのクロストーク、および最大反射光量に対して約１％のスライスレベルの変動を仮定している。通常、ＮＡ０．４５のＣＤ−ＲＯＭ用光ヘッドの再生信号ジッタは理想状態で６〜７％程度と考えられ、ＣＤ−Ｒ記録対応によりＮＡが０．５に増大した効果が表れていることがわかる。
【００３４】
図１５は図１４と同様の計算を、図１１に示した本発明による対物レンズによる光スポットを用いて行なったものである。ジッタは４．３％とやや増大しているが、ＮＡが増大したことによる効果と比べれば十分無視できる。ただしここでは検出光はＮＡ０．６の範囲をすべて受光することを前提としている。
【００３５】
図１６は図１５と同様の計算を、検出光束のうち、収差が小さい中心部分のみ受光することを前提として、行なったものである。実際の光ヘッドにおいては周辺部分の光は、収差が急激に増大するため波面の傾斜が大きく、散逸して受光領域をはずれて受光されないと考えられる。このような影響を考慮しても、ジッタの値としてはほとんど変化がなく、本発明の対物レンズにおいては、特に開口を制限する液晶などのフィルタは不要であることがわかる。
【００３６】
図１７は図１２に示した通常のＤＶＤ用対物レンズを用いた光スポットにより、ＤＶＤ−ＲＯＭを再生した場合の再生信号アイパターンの計算結果である。
ＣＤに比べて光スポットの縮小効果以上に密度を増大させている影響から、ジッタはＣＤに比べて明らかに大きい。ジッタの計算値はこのとき７．６％であった。
【００３７】
図１８は図１３に示した本発明による対物レンズを用いた光スポットにより、 ＤＶＤ−ＲＯＭを再生した場合の再生信号アイパターンの計算結果である。図１７のＤＶＤ専用レンズに比べてアイパターンにはほとんど変化がなく、ジッタもわずかに増大しているのみであり、ほとんど影響は現れていないことがわかる。
【００３８】
図１９は図８、図９に示した設計例において、内側円形突出領域のみのＮＡ値を変化させたときのＣＤでの規格化中心強度の変化を計算したものである。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、許容範囲はＮＡ値で約±０．０４であることがわかる。
【００３９】
図２０は図１９と同様に、内側円形突出領域のみのＮＡ値を変化させたとき、ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。マレシャル条件が０．０７λであることを考慮すれば、図１９におけるＣＤの規格化中心強度の劣化に比べ、ずれに対する許容範囲が広く、上記±０．０３のずれによりほとんど影響がないことがわかる。
【００４０】
図２１は図８、図９に示した設計例において、輪帯陥没領域内径のみのＮＡ値を変化させたときのＣＤでの規格化中心強度の変化を計算したものである。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、許容範囲はＮＡ値で約±０．０３であることがわかる。
【００４１】
図２２は図２１と同様に、輪帯陥没領域内径のみのＮＡ値を変化させたとき、ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。マレシャル条件が０．０７λであることを考慮すれば、図１９におけるＣＤの規格化中心強度の劣化に比べ、ずれに対する許容範囲が広く、上記±０．０３のずれによりほとんど影響がないことがわかる。
【００４２】
図２３は図８、図９に示した設計例において、輪帯陥没領域外径のみのＮＡ値を変化させたときのＣＤでの規格化中心強度の変化を計算したものである。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、許容範囲はＮＡ値で約±０．０２であることがわかる。
【００４３】
図２４は図２３と同様に、輪帯陥没領域外径のみのＮＡ値を変化させたとき、ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。輪帯陥没領域外径については、円形突出領域径、輪帯陥没領域内径のずれの影響と異なり、輪帯陥没領域外径大きいほど収差は大きく、輪帯陥没領域外径が小さいほど小さくなっている。これは輪帯陥没領域外径が本実施例での設計においては最適基板厚変化の境界と一致させているためである。つまり輪帯陥没領域外径が大きいとそれだけＣＤに最適な基板厚に近づけた領域が広くなるので、ＤＶＤの収差は大きくなる。しかしこれによれば上記に述べた±０．０２のずれに対しても波面収差は０．０４λ以下であり、問題はないことがわかる。
【００４４】
図２５は図８、図９に示した設計例において、円形突出領域の位相シフト誤差に対する、ＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、円形突出領域の位相シフトずれの許容誤差は約±０．１λであることがわかる。
【００４５】
図２６は図２５と同様に、円形突出領域の位相シフトを変化させたとき、 ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。これについても上記の±０．１λのずれに対して、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差の劣化は０．０１λ程度であり、ほとんど問題ないことがわかる。
【００４６】
図２７は図８、図９に示した設計例において、輪帯陥没領域の位相シフト誤差に対する、ＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、輪帯陥没領域の位相シフトずれの許容誤差は円形突出領域と同様に約±０．１λであることがわかる。
【００４７】
図２８は図２７と同様に、輪帯陥没領域の位相シフトを変化させたとき、 ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。これについても上記の±０．１λのずれに対して、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差の劣化は０．０１λ程度であり、ほとんど問題ないことがわかる。
【００４８】
また円形突出領域と輪帯陥没領域で位相差の絶対値を等しく、符号を反転させることを設計上仮定したものの、図２５、２６、２７、２８からわかるように、それぞれ単独の位相ずれを与えても、ほぼ設計形状で最適な値となっていたことがわかる。
【００４９】
図２９は図８、図９に示した設計例において、内側最適基板厚を変えたときのＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、−０．０５ｍｍであることがわかる。基板厚が厚くなる方向については、よりＣＤの最適基板厚に近づく方向であるので、規格化中心強度はかえって大きくなる。
【００５０】
図３０は図２９と同様にして内側最適基板厚を変えたときの、ＤＶＤ再生スポットのＲＭＳ波面収差の計算結果である。これについては図２９と逆に基板厚が厚くなるとＤＶＤの最適基板厚０．６ｍｍからの差が大きくなる方向であるため、厚くなる方向で収差が大きくなっている。厚さが薄くなるとＤＶＤの最適基板厚に近づくため、収差は小さくなる。これによればたとえばＤＶＤのＲＭＳ波面収差を０．０４λ程度を許容値とすれば＋０．０５ｍｍであることがわかる。
【００５１】
図２９、図３０より内側最適基板厚の許容誤差は±０．０５ｍｍ程度であることがわかる。
【００５２】
以上の最適形状の範囲、および誤差について図３１にまとめる。図４、５、６、７に示したＣＤの有効ＮＡに対する最適形状範囲の下限と上限を表の左側に示す。ここで下限、上限はＣＤでマレシャル条件を満たす有効ＮＡの下限、および上限での設計値を示す。また図１９から３０に示した各パラメタの誤差の範囲を次の欄に示した。誤差はすでに述べたように、およそＣＤ−Ｒ用光スポットのマレシャル基準までのマージンが半分に減少する範囲を示しており、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差の増大はこの範囲でほぼ問題ないことを確認している。これらを合成したときの下限と上限を次の複合範囲の欄に示した。合成にあたってはこれらの広い方の範囲を選んでいる。したがって本発明が効果を発揮するためにとりうる各パラメタの範囲はこれらの範囲であることがわかる。
【００５３】
また図３２は図８、図９に示した設計例において、ＣＤ用の光の波長を変えたときのＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。これによればたとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、本実施例の設計仕様値である７８５ｎｍからのずれが±１５ｎｍ程度であることがわかる。これは通常の半導体レーザの仕様値に比べてほぼ十分な範囲である。
【００５４】
図３３はＤＶＤの再生波長を変えたときの、ＤＶＤの再生波面収差を示している。これによればたとえばＤＶＤでの許容波面収差を０．０４λとすれば、本実施例の設計仕様値である６５５ｎｍからのずれが±１５ｎｍ程度であることがわかる。これは上記と同様に通常の半導体レーザの仕様値に比べてほぼ十分な範囲である。
【００５５】
図３４は図８に示した設計仕様に対するレンズの実形状の実施例である。設計にあたっては松居吉哉「レンズ設計法」（共立出版、１９８９年、初版第７刷）にもとづき、まずＤＶＤの仕様に合わせて基板厚０．６ｍｍに対して３次の球面収差と画角に対する３次のコマ収差が同時に０となるように第１面の周辺領域形状および第２面の曲率、非球面係数、肉厚を決めた。このときにはまだＣＤ再生や、位相シフタの影響は何ら考慮しない。次に図８に示した波面収差形状において、位相シフタの寄与を除いた部分が得られるように第１面の内側領域の形状を、やはりまだ位相シフタの影響はのぞいて設計する。最適基板厚が変化する境界における輪帯陥没領域の位相シフト以外の位相、および境界の内外での近軸焦点位置の違いを満たす条件のもとに、図８の仕様の内側最適基板厚の平行平板を挿入したときに、上記と同様にして３次の球面収差が０となるように、第１面内側突出領域の曲率と非球面係数、肉厚を決めた。さらのこの形状に対して、図８に示した位相シフタを対物レンズの屈折率の値を考慮して段差の深さに換算し、指定された半径位置に設置する。このとき光線の進行方向を考慮して周辺部は段差の深さまたは方向を若干補正する。つまりレンズの光軸に対して平行に入射する入射光線も、光軸から離れた位置に入射する光線では第１面において斜めに屈折するため、そのような斜めの光線に対して所望の位相シフトを加えるためには実際上、光線の屈折方向にそって位相シフトを加えることが必要である。また本実施例においては第１面の内側領域の形状の計算においてコマ収差の影響を考慮していない。これを考慮するためには実際上、第２面にも内側領域を設ければよい。非球面対物レンズでは一般的に、球面収差と画角に対するコマ収差を同時に０とするには第１面、第２面の両面を非球面とすることが必要であり、内側最適基板厚において内側でも画角に対する３次のコマ収差係数を０とするにはやはり２面の専用の非球面が必要であることは必然である。したがって画角に対するコマ収差が問題となる場合には、両面で内側と外側で形状の異なるレンズとすればよい。図３４では図中に示した第ν面の面形状式において、第１面外側（第１Ａ面）、第１面内側（第１Ｂ面）、第２面の、曲率ｒ1A、ｒ1B、ｒ2、４次の非球面係数ｂ1A、ｂ1B、ｂ2、第１Ａ面と第２面の近軸での面間隔ｄ1A、第２Ａ面と第２面の近軸での面間隔ｄ1B、段差部の位相シフト以外の面不連続ｇ、位相シフトｓ1、ｓ2、位相シフトの境界半径Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、レンズの有効口径Ｒ、ＮＡ、などの計算結果を示している。
【００５６】
図３５は本発明による対物レンズを用いた光ヘッドの実施例である。波長６５０ｎｍのＤＶＤ用半導体レーザ３５１からの光はビームスプリッタ３５２により反射されて、コリメートレンズ３５３により平行光とされ、反射ミラー３５４により反射され、本発明による対物レンズ３５５により、基板厚さ０．６ｍｍのＤＶＤディスク３５６の記録膜面に集光される。一方、波長７８０ｎｍのＣＤ用半導体レーザ３５７からの光は、まず３ビーム方式によるトラッキング信号を得るために設置された回折格子３５８を透過し、ハーフミラー３５９の表面で反射され、ビームスプリッタ３５２を透過し、コリメートレンズにより平行光とされ、反射ミラー３５４を反射し、本発明による対物レンズ３５５により基板厚さ１．２ｍｍのＣＤディスク３５１０の記録膜面に集光される。回折格子によるサブスポットは０次光に対してディスク半径方向に１／２トラックずれて配置されるように回折格子の光軸まわりの回転角度を調整しておく。なおＣＤのトラッキングはプッシュプル方式と呼ばれるトラッキングも規格上可能であり、これのみを用いる場合には回折格子は不要となる。なお反射ミラー３５４は図では便宜上、上方に反射する配置としているが、実際には紙面に垂直な方向に反射させるのが光ヘッドの配置上望ましい。このとき基板厚さの違いにより、記録膜面の位置はＤＶＤディスク３５６とＣＤディスク３５１０で、基板厚差×（基板屈折率−１）だけ光軸方向にずれている。基板屈折率は約１．５８であるから、これは約０．３５ｍｍである。したがって対物レンズの表面からディスク基板表面までの距離、すなわちワーキングディスタンスは０．２５ｍｍずれている。ＤＶＤおよびＣＤディスクを反射した光は同じ光路を戻り、まず対物レンズ３５５で再び平行光とされ、反射ミラー３５４を反射し、コリメートレンズ３５３で収束光となり、ビームスプリッタ３５２、ハーフミラー３５９を透過して光検出器３５１１に集光される。ここでハーフミラー３５９は平行平板で形成されており、収束光が透過する場合、非点収差を発生する。この非点収差を非点収差焦点ずれ検出方式に利用して、焦点ずれ信号を検出する。そのため光検出器３５１１の受光面は４分割された光検出領域を持ち、これらの演算により、焦点ずれ信号のみならず、トラッキング誤差信号も検出し、これらのスポット位置制御信号を、対物レンズ３５５を搭載した対物レンズアクチュエータ３５１２の駆動信号とすることで、焦点位置制御を行なう。ここでビームスプリッタ３５２は光利用効率の点では、ダイクロイック偏光ビームスプリッタであることが望ましい。すなわち半導体レーザ３５１からの６５０ｎｍの光はビームスプリッタ３５２に入射するにあたってＳ偏光となるように配置し、ほぼ１００％反射させる。そして図中に示していないが、コリメートレンズ３５３から対物レンズ３５５の間にλ／４板を挿入しておき、ディスクに集光される光を円偏光となるようにする。すると反射光が再びλ／４板を透過したとき入射時と直交する偏光方向の直線偏光、すなわちＳ偏光となってビームスプリッタ３５２に入射する。するとＳ偏光はほぼ１００％透過して、光検出器３５１１に集光されることになる。一方波長７８０ｎｍのＣＤ用半導体レーザからの光は、ビームスプリッタを透過させないといけないため、７８０ｎｍの光では透過率をなるべく１００％に近づけるようにする。また７８０ｎｍについては反射光もやはり透過させる必要があるため、ビームスプリッタ３５２は７８０ｎｍでは偏光方向によらず透過率が１００％に近いことが望ましい。なお以上のような２つの半導体レーザの配置は必ずしも固定したものではない。光利用効率の設計上、半導体レーザ３５１の位置の方が効率が高く、ＣＤ−Ｒの記録のために７８０ｎｍの波長の方でより光利用効率を高くする必要がある場合、半導体レーザ３５１を７８０ｎｍとすることも有効である。ただしこのとき回折格子３５８は半導体レーザ３５１とビームスプリッタ３５２の間に挿入する必要がある。また逆に波長６５０ｎｍでもＤＶＤ−ＲＡＭなどの記録を行なう必要があり、ＣＤ−Ｒ記録よりも高い光利用効率が必要な場合には本実施例で説明したように半導体レーザ３５１を６５０ｎｍとするのが有効である。
【００５７】
また本発明における対物レンズでは、７８０ｎｍの光も６５０ｎｍの光も対物レンズに平行光束として入射することを想定している。このため反射光は２つの波長でほとんど同一の光路を戻るため、本実施例に示すように１つの光検出器３５１０での検出が可能となる。従来例において述べたように対物レンズに入射する光束の収束、発散の状態を２つの波長で異ならせることで対物レンズで発生する球面収差を用いて基板厚誤差による球面収差を補償する方法では、当然ながら反射光束の光路が２つの波長で異なることになる。したがってこのような従来の方法では光検出器を１つにすることができないので、製造コストの点でも不利となる。
【００５８】
ただし本発明は必ずしも２つの波長がともに平行光である必要もまたない。すなわち２つの波長の対物レンズへの入射光の収束、発散状態を、半導体レーザと対物レンズの相対的な位置ずれの許容範囲を満たす範囲内でずらし、多少この効果によって基板厚ずれによる球面収差の補償効果を満たした上で、本発明による対物レンズでさらに残りの球面収差を補償すればよい。このような設計はまた十分可能である。
【００５９】
図３６は光検出器３６１における検出信号から再生信号（ＲＦ信号）、焦点ずれ信号（ＡＦ信号）、トラッキング誤差信号（ＴＲ信号）を得る方式について説明する図である。焦点ずれ検出方式としては非点収差法による信号、トラッキング信号は、プッシュプル方式によるトラッキング誤差信号（ＰＰ信号）、位相差検出方式によるトラッキング信号（ＤＰＤ信号）、３ビーム方式によるトラッキング誤差信号（３ビーム信号）の３種類の信号を検出する実施例を示している。検出器３６１には４分割受光領域３６２、サブスポット用検出領域３６３、３６４がある。各受光領域からの光は電流電圧変換アンプ３６５で電圧に変換され、抵抗３６６をへて差動アンプ３６７に入力され、各種信号演算に用いる。
【００６０】
ＲＦ信号はメインスポット３６８の総光量を出力しており、演算は４分割検出領域３６２の各出力をすべて加算するように演算を行なっている。
【００６１】
ＡＦ信号は非点収差焦点ずれ検出方式による実施例を示しており、メインスポット３６８を受光する４分割検出領域３６２の対角方向の２領域を加算し、それぞれ２組の加算結果の差を演算する構成となっている。非点収差検出方式は検出光束に非点収差を与えて、焦点の前後で直交する直線状の焦線を生じることを用いて検出する方式である。
【００６２】
ＰＰ信号は記録可能な光ディスクにおいて主に用いられる検出方式であり、ディスク上に周期的に作られた案内溝による回折光どうしの干渉強度が、集光スポットと案内溝との相対的な位置ずれによりアンバランスを生じることを用いて検出する方法である。具体的にはＤＶＤ−ＲＡＭディスクや、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒなどが該当する。また先に述べたように、規格上ＣＤのトラッキングに対しても用いられることが規定されている。信号の演算はメインスポット３６８を受光する４分割検出領域の半径方向の分割線で分割されるそれぞれの２領域ごとの出力を加算し、その差を演算してトラッキング誤差信号とする。ここで検出器上の分布は非点収差により、非点収差付加の前の分布から、９０°回転している。
【００６３】
ＤＰＤ信号はＤＶＤ―ＲＯＭディスクで用いられている方法であり、ディスク上の光スポットが情報トラックからずれている場合、検出光束上でディスク半径方向と接線方向で分割される４領域の対角方向の２領域ごとの情報ピットによる検出光量変化に生じる時間遅れを検出する方法である。規格上、現状はＤＶＤ−ＲＯＭ、記録後のＤＶＤ−Ｒでしか規定されていないが、原理的にはＣＤでも検出可能である。信号の演算はメインスポット３６８を受光する４分割光検出領域の対角方向でない、２組の２領域ごとの出力の位相差を位相差検出回路３６１１、３６１２で検出して電圧として出力し、これらの差の演算を行なうことによりトラッキング信号とする。
【００６４】
３ビーム信号は現状ＣＤで広く用いられている方法であり、すでに述べたように回折格子により２つのサブスポットをディスク上にメインスポットの半径方向両側に１／２トラックずれて配置させ、メインスポットが情報トラックからずれているときに２つのサブスポットの検出光量に生じるアンバランスを検出する方法である。信号の演算は、２つのサブスポット３６９、３６１０の受光領域３６３、３６４の出力の差を演算することにより得られる。
【００６５】
図３７に本発明による光ヘッドを光ディスク装置に用いた場合の実施例を示す。
【００６６】
光ディスク装置３７００は、光ヘッド３７０１と、制御回路、及び、モータなどの機構系から構成されている。光ヘッド３７０１からの電気的な入出力はフレキシブル基板３７０２、３７０３を介して行われる。本実施例においては半導体レーザ３７０４、３７０５の駆動をフレキシブル基板３７０２、光検出器３７０６の入出力をフレキシブル基板３７０３によって行っている。
【００６７】
半導体レーザ３７０４、３７０５はユーザデータ３７０７をストアしたバッファメモリ３７０８のディジタル情報に応じて生成された、記録波形発生回路３７０９からの記録波形によりレーザ駆動回路３７１０で、その明滅を制御する。
【００６８】
光検出器３７０６による電流出力は信号演算回路３７１１によって電流電圧変換され、増幅され、本発明の演算方法によって演算され、焦点ずれ誤差信号、トラッキング誤差信号、ヘッド位置制御信号を生成する。前記２つの誤差信号は対物レンズアクチュエータ３７１２にフィードバックされ、集光スポットが光ディスク３７１３の記録膜面の情報トラックの上に常にあるように閉ループ制御される。他方、ヘッド位置制御信号はディスクのアドレス情報ピットから、ＲＦ信号によって検出され、光ヘッド３７０１を再生トラックの近傍にほぼ配置させるよう、ヘッド移動機構３７１４に入力される。こちらの制御はディジタル情報記録用の光磁気ディスクの場合にはやはり通常、閉ループ制御されるが、ＣＤ、ＤＶＤ、ＭＤなどにおいては開ループ制御させることが多い。
【００６９】
信号演算回路３７１１において得られたＲＦ信号は信号処理回路３７１５においてイコライザ処理、２値化、復号処理されディジタル情報を再生する。出力情報はバッファメモリ３７０８にストアされる。
【００７０】
光ディスク３７１３はスピンドルモータ３７１６で回転されており、スピンドルモータ駆動回路３７１７によってその回転が制御されている。さらにこれらすべての制御回路はコントローラ３７１８で制御されている。
【００７１】
本実施例においては、記録可能な光ディスクを例としたが、ＣＤ−ＲＯＭや、ＤＶＤ−ＲＯＭなど再生専用光ディスクにおいても、記録制御系が不要となるだけでそれ以外はほぼ同様の構成で光ディスク装置を実現できる。
【００７２】
本発明による光ヘッドを用いることで、光ディスク３７１３としてＤＶＤ再生、ＣＤ再生、ＤＶＤ−ＲＡＭ記録再生、ＣＤ−Ｒ記録再生が可能な光ディスク装置を実現できる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明により、ＣＤ再生、ＣＤ−Ｒ記録再生、ＤＶＤ−ＲＯＭ再生、ＤＶＤ−ＲＡＭ記録再生が可能な対物レンズが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ互換レンズ従来例を示す図。
【図２】 ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ互換レンズ従来例における波面収差を示す図。
【図３】 本発明による対物レンズの概略形状を示す図。
【図４】 従来設計と本発明のＣＤスポット規格化中心強度の比較を示す図。
【図５】 本発明における内側円形突出領域、輪帯陥没領域内径、輪帯陥没領域外径の設計値を示す図。
【図６】 本発明における輪帯陥没領域の位相シフト量の設計値を示す図。
【図７】 本発明における内側領域の最適基板厚の設計値を示す図。
【図８】 本発明による対物レンズの波面収差形状例を示す図。
【図９】 本発明による第２の対物レンズの波面収差形状例を示す図。
【図１０】 通常のＣＤ−Ｒ記録スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１１】 図８の波面収差形状を与える本発明の対物レンズによるＣＤ−Ｒ記録用スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１２】 通常のＤＶＤ専用対物レンズによるＤＶＤ再生光スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１３】 図８の波面収差形状を与える本発明の対物レンズによるＤＶＤ再生用スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１４】 図１０に示した通常のＣＤ−Ｒ用対物レンズによる光スポットによるＣＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果を示す図。
【図１５】 図１１に示した本発明による対物レンズによる光スポットによるＣＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果（検出ＮＡ０．６）を示す図。
【図１６】 図１１に示した本発明による対物レンズによる光スポットによるＣＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果（検出ＮＡ０．５）を示す図。
【図１７】 図１２に示した通常のＤＶＤ用対物レンズを用いた光スポットによるＤＶＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果を示す図。
【図１８】 図１３に示した本発明による対物レンズを用いた光スポットによるＤＶＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果を示す図。
【図１９】 図８、図９に示した設計例における内側円形突出領域ＮＡ値に対するＣＤ−Ｒ用スポット規格化中心強度を示す図。
【図２０】 図８、図９に示した設計例における内側円形突出領域ＮＡ値に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２１】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域内径ＮＡ値に対するＣＤ−Ｒ用スポット規格化中心強度を示す図。
【図２２】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域内径ＮＡ値に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２３】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域外径ＮＡ値に対するＣＤ−Ｒ用スポット規格化中心強度を示す図。
【図２４】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域外径ＮＡ値に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２５】 図８、図９に示した設計例における円形突出位相シフト領域の位相シフト誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図２６】 図８、図９に示した設計例における円形突出領域の位相シフト誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２７】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域の位相シフト誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図２８】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域の位相シフト誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２９】 図８、図９に示した設計例における内側最適基板厚誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図３０】 図８、図９に示した設計例における内側最適基板厚誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図３１】 最適形状の範囲と誤差をまとめた表。
【図３２】 図８、図９に示した設計例におけるＣＤ−Ｒ用波長誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図３３】 図８、図９に示した設計例におけるＤＶＤ用波長誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図３４】 図８に示した設計仕様に対するレンズの実形状を示す図。
【図３５】 本発明による対物レンズを用いた光ヘッドを示す図。
【図３６】 光検出器からの信号演算方法を説明する図。
【図３７】 本発明による対物レンズを用いた光ヘッドを搭載した光ディスク装置の実施例。
【符号の説明】
１…ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ再生互換対物レンズ、１２…外側領域、１３…輪帯位相シフタ、１４…エッジ部分、３…本発明によるＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ記録互換対物レンズ、３１…輪帯陥 没領域、３２…円形突出領域、３５１… ＤＶＤ用半導体レーザ、３５２…ビームスプリッタ、３５３…コリメートレンズ、３５４…反射ミラー、３５５…本発明による対物レンズ、３５６…ＤＶＤディスク、３５７…ＣＤ用半導体レーザ、３５８…回折格子、３５９…ハーフミラー、３５１０…ＣＤディスク、３５１１…光検出器、３５１２…対物レンズアクチュエータ、３６１…光検出器、３６２…４分割受光領域、３６３、３６４…サブスポット用検出領域、３６５…電流電圧変換アンプ、３６６…抵抗、３６７…差動アンプ、３６８…メインスポット、３６９、３６１０…サブスポット、３６１１、３６１２…位相差検出回路、３７００…光ディスク装置、３７０１…光ヘッド、３７０２、３７０３…フレキシブル基板、３７０４、３７０５…半導体レーザ、３７０６…光検出器、３７０７…ユーザデータ、３７０８…バッファメモリ、３７０９…記録波形発生回路、３７１０…レーザ駆動回路、３７１１…信号演算回路、３７１２…対物レンズアクチュエータ、３７１３…光ディスク、３７１４…ヘッド移動機構、３７１５…信号処理回路、３７１６…スピンドルモータ、３７１７…スピンドルモータ駆動回路、３７１８…コントローラ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、対物レンズに係り、特に基板厚さの異なる光ディスクの互換再生に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは高密度化の一途をたどり、民生用再生専用光ディスクである０．６５ＧＢのＣＤ−ＲＯＭに対して４．７ＧＢのＤＶＤ−ＲＯＭが発売されている。ところがＤＶＤとＣＤでは基板の厚さが異なり、ＤＶＤでは０．６ｍｍ、ＣＤでは１．２ｍｍである。このような違いは、記録密度の向上の目的で対物レンズの集光力の指標であるレンズの集光角度のｓｉｎ値、すなわち開口数（ＮＡ）を、ＤＶＤでは、ＣＤの０．４５より大きい０．６としたため、ディスク傾きなどによる収差の発生を抑えたことによる。ＤＶＤドライブ装置においてはＣＤの再生が必須と考えられ、このようなディスク基板厚さの違いは対物レンズの対応基板厚の選択において問題となる。
【０００３】
まずこの対応基板厚の意味について説明する。光ディスクでは通常、ほこりなどにより記録情報の再生ができなくなることを防ぐため、記録面をつけたポリカーボネートなどの透明基板の裏側から基板越しに記録膜面に光を集光して再生している。このようにすると例えば基板厚さ０．６ｍｍのＤＶＤの場合、基板の表面での光スポットは０．５ｍｍ程度になり、０．１ｍｍ以下程度の大きさのほこりであれば読み取りにあまり影響を及ぼさない。これにより光ディスクでは磁気ディスクと異なり、ユーザが自分でディスクを交換して再生することができている。ところがこのように基板越しに光を集光する場合、対物レンズはその基板厚さに合わせた形状とする必要がある。例えば理想的に集光されている光束中に、ある厚さを持った透明基板を挿入すると、基板に対して垂直に入射する光線と、斜めに入射する光線では、当然ながら後者の方が基板中の光路が長くなる。このような光路差が収差と呼ばれていて、光が絞れなくなる原因となる。ところがこのような収差は、あらかじめ挿入される基板の厚さがわかっていれば、レンズの形状によって補償することが可能である。したがって光ディスク装置の光ヘッドでは、通常再生する光ディスクの基板厚を特定して、それに対応した対物レンズを用いる。以上のように対応基板厚とは、ある対物レンズによる集光光束中に挿入して収差を生じることなく、光を理想的に集光できる基板の厚さである。
【０００４】
このように通常の個々の光ディスク用対物レンズには対応基板厚が決まっているため、ＤＶＤとＣＤとの互換再生において問題となっていた。
【０００５】
これに対して例えば特開平６−１２４４７７号では、液晶を用いてＣＤ再生においては開口を制限して収差の大きい周辺部を遮光することにより、ＤＶＤ用レンズによるＣＤ再生における基板厚誤差による収差を低減していた。基板厚誤差によって生じる収差は球面収差と呼ばれ、ＮＡの４乗に比例して増大する。したがって開口によりＮＡを小さくすると収差も低減する。一方、ＤＶＤ再生では遮光しないように開口の有り無しをきりかえて用いる。ここで本従来例はＤＶＤ用の再生波長である６５０ｎｍによりＣＤを再生することを意図している。つまり従来のＣＤに用いられていた波長７８０ｎｍよりも波長が短かい。集光スポット径は波長をλとするとλ／ＮＡに比例するため、波長が短いと必要なＮＡも小さくできる。したがって結果的にＣＤ再生を６５０ｎｍで行なうことで開口のＮＡを０．４５より小さくでき、これによって従来例では必要な収差低減効果を得ていた。ところが従来例には、ＣＤと互換性があり、最近普及の著しい書き込み可能なＣＤ−Ｒ（ＣＤ−Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）の再生には対応できないという問題点がある。というのはＣＤ−Ｒは記録膜に７８０ｎｍでのみ十分な反射率を有する色素媒体を用いており、ＤＶＤ再生波長６５０ｎｍでは反射率が低下し、信号再生ができないからである。ＣＤ−Ｒを再生するには７８０ｎｍの光源を別途、光ヘッドに搭載する必要がある。このとき波長は従来のＣＤと同じになるため制限開口のＮＡは従来の０．４５以上にする必要があり、十分な収差の低減効果が得られなくなる。
【０００６】
また他の従来例として特開平９−２３７４３１号では、輪帯状領域の光を遮蔽する方法が述べられている。ここではＤＶＤ用レンズでＣＤを再生するときに収差が大きく変化し始める輪帯領域の光を遮蔽することにより、ＣＤ再生の光スポットを直接劣化させる領域のみ除去する方法である。というのは収差が非常に大きく、波面の傾きが大きい領域の光線は波面の垂直方向に進行するため、焦点の位置から大きくはずれて散逸し、実質スポット性能に影響を及ぼさないからである。 ＤＶＤ再生においては輪帯状の遮光領域より内側と外側の光は実質上収差なく集光される。このとき輪帯状遮蔽領域の光はＤＶＤ再生でも遮光されるが、その領域を許容範囲に狭くすることにより、液晶のような素子を用いることなく、実質上同等の効果を得ることができる。ところが逆に実質上開口を制限するのと等価であるため、これも７８０ｎｍによるＣＤ−Ｒ再生には対応できないという問題点がある。
【０００７】
またさらに従来の他の技術が、特開平８−５５３６３号に記載されている。ここでは基板厚さの異なる２種類の光ディスクを異なる波長の光源でそれぞれ再生し、２つの半導体レーザのレンズからの距離を変えることで対物レンズに入射する光の発散または収束の状態をずらし、これによって基板厚さずれによる球面収差を補償する方法が述べられている。この方法を用いればＣＤ再生に７８０ｎｍ、ＤＶＤ再生に６５０ｎｍの半導体レーザを用いて、１つの対物レンズでＤＶＤとＣＤの互換再生ができ、合わせてＣＤ−Ｒの再生も可能である。ところがこのように２つの光源の位置を異ならせると、半導体レーザと対物レンズとの相対的な位置ずれの許容範囲が狭くなることが知られている。というのは対物レンズの設計において、入射光の入射角がずれてもコマ収差が急激に発生しない条件として正弦条件とよばれる条件が存在するが、これは特定の物像間距離でのみ成立し、２種類の物像間距離の両立は不可能であるからである。すなわち例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザの配置で正弦条件を満たすと、７８０ｎｍの半導体レーザの配置ではこれを満たすことができない。この場合たとえばディスクが偏心して回転していると、トラッキング制御のときに対物レンズがそれに追随して移動することになり、半導体レーザとの相対位置がずれて急激に収差が発生してしまう。
【０００８】
従来のさらに他の技術は、例えば本発明者らによる特開平１０−２５５３０５号に記載されている。ここでは図１に示すように、対物レンズ１の対応基板厚が内側領域１１で０．７６ｍｍ、外側領域１２で０．６ｍｍのレンズに、輪帯溝状の凹部で形成された輪帯位相シフタ１３が作られている。輪帯位相シフト領域の対応基板厚は内側領域と同じ０．７６ｍｍとなっている。ここではＣＤとＤＶＤの対応基板厚の両立のため、レンズの光軸に近い中央部分の領域のみ対応基板厚を、ＤＶＤにおける０．６ｍｍからややＣＤの１．２ｍｍに近づけた０．７６ｍｍにしてＣＤ再生において中心領域で発生する収差を低減し、さらに残留する収差を低減し、基板厚誤差でＤＶＤ再生において発生する収差をも低減するため、輪帯位相シフタ１３を用いている。なお、この対物レンズは６５０ｎｍの光も、７８０ｎｍの光も平行光として対物レンズに入射させることを想定しており、上記の従来例にあるような対物レンズずれによってどちらかの波長の光が急激に増大することがないという利点がある。
【０００９】
図２は従来例におけるＤＶＤ再生時とＣＤ再生時の波面収差の計算値である。ここで波面収差とは光源である半導体レーザから、対物レンズまでの光路長の誤差をレンズの有効光束（瞳）における光線位置について表したものである。ただし図２においては収差が±０．５λを越える範囲は実質的に等しい位相値である±０．５λの範囲に折りたたんで表示している。輪帯位相シフタの位相シフト量はＣＤ再生において−１．７６λとしている。ここで負の位相シフトは光路長が短くなることを意味し、段差が凹であることを示す。するとＣＤでは実質、この小数点以下の位相シフト量が±０．５λの範囲となるように２を加算した０．２４λの正の位相シフトが加わることになる。一方ＤＶＤ再生では屈折率が波長７８０ｎｍで１．５８３、６５０ｎｍで１．５８６として、−１．７６／（１．５８３−１）×７８０／６５０×（１．５８６−１）＝−２．１２λとなる。これについても位相シフト量が±０．５λの範囲となるように２を加算すると−０．１２λとなり、図２に示すような負の位相シフトが加わることになる。このような効果はそれぞれの波長で要求される位相シフトの符号が決まっているため、輪帯位相シフタが凹の場合と凸の場合で等価でない。たとえば凸の位相シフタで上記とほぼ同等の位相シフト量を実現するためには、ＣＤの位相シフト量を＋３．２４λとして、３．２４／（１．５８３−１）×７８０／６５０×（１．５８６−１）＝３．９１λとなり位相シフト量が±０．５λの範囲となるように４を減算して−０．０９λとなる。ところがこのように整数部を含めた位相シフトの絶対値が大きくなると、段差が深くなり加工が難しくなるばかりか、温度変動による波長ずれなどによる位相シフト量の誤差がほぼ整数部に比例して増大する。したがってここでは段差は凹とするのが望ましい。以上のようにして図２のように得られた波面収差については、マレシャルの基準によれば光スポットが良好に集光されるには、例えばＲＭＳ値が０．０７λ（λは光波長）以下であることが必要である。これに対してＤＶＤ再生においてはＲＭＳ波面収差０．０２λとなり良好な性能を有している。ＣＤ再生においては、波面収差が周辺部分で非常に大きくなっているものの、設計上有効なＮＡの範囲においては上記基準を満たしている。周辺部の収差の大きい光は波面の傾斜が非常に大きいため容易に散逸し、実質的に中心部分のみによる光スポットへの影響はない。このようにしてＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ再生において、互換再生が実現できた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
輪帯位相シフタを対物レンズに一体成形する上記従来例においては、ＣＤ−Ｒの再生のみに対応し、ＣＤ−Ｒ記録装置では収差の低減が十分でないという問題点があった。というのはＣＤ−Ｒ記録装置ではＣＤの記録情報ピットと同等の記録マークを高精度に記録するため、再生のＮＡより大きいＮＡ０．５の対物レンズを用いているからである。上記従来例はＣＤ−Ｒについても再生しか考慮していないため、波長７８０ｎｍでＮＡ０．４５のＣＤ−ＲＯＭ光ピックアップと同等の光スポットしか形成できない。したがってＮＡ０．５の範囲においては収差が増大して、ＣＤ−Ｒ記録に対応できない。
【００１１】
上記問題点に鑑み、本発明において解決すべき課題は、ＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録を両立する対物レンズを実現することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、少なくとも２面の屈折面を有する上記従来例における対物レンズにおいて、２面の少なくとも一方に、レンズの光軸付近の円形領域が段差を持って突出させる。すなわち輪帯陥没領域である輪帯位相シフタとシフト方向が反転した円形突出領域である円形位相シフタを付加する。このようにすると図２における中心領域の波面収差の凹凸を軽減し、ＲＭＳ波面収差を低減でき、ＣＤ再生における有効光束を拡張し、ＣＤ−Ｒ記録に必要な光スポット性能を実現できる。
【００１３】
またこのとき、上記従来例において述べたように、少なくともこの円形突出領域は、最適基板厚をＤＶＤ基板厚０．６ｍｍより、ＣＤ基板厚１．２ｍｍに近い基板厚さとしておく。すなわちこの領域のみについて言えば、基板厚が０．６ｍｍの光ディスクを再生する場合よりも、基板厚が０．６ｍｍより厚い光ディスクを再生するときの方が収差が小さくなる。また同時に輪帯陥没領域より外側の領域においては、ＤＶＤに対して最適なように、対応基板厚を０．６ｍｍとしておく。すなわち基板厚が０．６ｍｍの光ディスクを再生するときが最も収差の小さい形状とする。
【００１４】
さらに具体的には、全有効光束径に対する上記円形突出領域への入射光束径比をＲ1、前記輪帯陥没領域の内径にかかる光束径比をＲ2、前記輪帯陥没領域の外径にかかる光束径比をＲ3とするとき、
０．２２≦Ｒ1≦０．３５、０．４０≦ Ｒ2≦０．５０、０．７５≦Ｒ3≦０．８２、Ｒ1≦ Ｒ2≦ Ｒ3
を満たすようにすると効果がある。
【００１５】
またこのような対物レンズにおいて少なくとも内側の円形突出領域におけるもっとも収差の小さくなる基板厚さが０．７４ｍｍ以上０．８５ｍｍ以下となるようにすると、より効果が大きい。
【００１６】
またこのような対物レンズを、少なくとも２つの波長の半導体レーザ、およびレンズやプリズム、ミラー、光検出器などと一体として光ヘッドを構成することにより、初めてＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録の両立が可能な光ヘッドとなる。
【００１７】
さらにこのような２波長の光源を搭載した光ヘッドに用いる対物レンズにおいて、上記円形突出領域、および輪帯陥没領域における段差によって生じる光路長差がそれぞれφ1およびφ2、２つの波長のうち長い波長、すなわちＣＤ再生波長をλ1とするとき、１．６７λ1≦φ1≦１．８７λ1、−１．８７λ1≦φ2≦−１．６７λ1
を満たすようにすると効果がある。
【００１８】
このとき同時に２つの波長のうち短い波長、すなわちＤＶＤ再生波長をλ2とするとき、２．００λ2≦φ1≦２．２４λ2、−２．２４λ2≦φ2≦−２．００λ2を満たすようになる。
【００１９】
またこれらの段差を有する対物レンズと、少なくとも２つの波長の半導体レーザ、およびレンズやプリズム、ミラー、光検出器などと一体として光ヘッドを構成することにより、初めてＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録の両立が可能な光ヘッドとなる。
【００２０】
またこのような光ヘッドを、少なくとも２種類の基板厚さの光ディスクをともに再生または記録再生できるような機構、および制御回路、などを一体として光ディスク装置を形成することにより初めてＤＶＤ再生とＣＤ−Ｒ記録の両立が可能な光ディスク装置となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図３は本発明による対物レンズ３の概略形状を示す図である。ここでは図１に示した対物レンズと同様にして輪帯陥没領域である輪帯位相シフタ３１を含む中心領域の最適基板厚をｄ1とし、それよりも外側の領域の最適基板厚をｄ2としている。ｄ2についてはＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒの互換再生のためには０．６ｍｍとすればよい。ＤＶＤ再生、およびＣＤ再生におけるこの基板厚誤差による収差を、少ない位相シフトの絶対値でともに低減するため、輪帯陥没領域である輪帯位相シフタ３１は前記従来例と同様、凹状の溝で構成されている。さらに本発明においては、輪帯陥没領域である輪帯位相シフタ３１の内側に凸状の円形突出領域である円形位相シフタ３２が付加されている。これによりＣＤ再生、ＤＶＤ再生における収差をさらに低減することをねらっている。
【００２３】
図4はＣＤ再生時における有効ＮＡに対して、ＤＶＤでの再生波面収差許容値を変えて、前記従来例において述べた輪帯位相シフタを用いた方法と、今回の新しい形状における設計での規格化中心強度を示したグラフである。ＣＤの再生波長は０．７８５μm、ＤＶＤの再生波長は０．６５５μm、ＤＶＤ再生ＮＡは０．６、基板厚はＣＤ１．２ｍｍ、ＤＶＤ０．６ｍｍである。また最適化にあたっては円形突出領域と輪帯陥没領域での位相差の絶対値は等しく、円形突出領域では正（光路長増）、輪帯陥没領域では負の位相シフト（光路長減）を与え、最適基板厚の変化の境界は輪帯陥没領域の外径と一致させている。ここで規格化中心強度とは前記従来例、特開平１０−２５５３０５において述べたように、有効ＮＡの範囲内に入射する一様な強度の総光量に対して集光スポットの中心強度の比を示しており、いわゆるストレール強度に全ＮＡに対する有効ＮＡの比の２乗をかけたものである。ストレール強度はＲＭＳ波面収差をＷrms、波長をλとするとき、１−（２πＷrms／λ）２に相当し、収差の許容範囲の基準であるマレシャルの基準では、ストレール強度０．８以上、すなわちＷrms ≒０．０７λ以下が必要であると言われている。しかしながら収差がある場合に最適な制限開口のＮＡを決めるには、単なるストレール強度では評価指標としては適切でない。なぜならストレール強度はＮＡを固定したときの収差の評価基準であって、この場合のようにＮＡの異なる光スポットの良否は評価できないからである。ＮＡが大きいほど、収差がない場合の光スポットは小さくなるので、ベースとなる光スポットは小さくなるが、収差はＮＡが大きいほど大きくなるのでスポットの劣化はより顕著になる。したがって収差とＮＡのバランスで最適なＮＡがあるはずであり、その評価指標としてここでは上記の規格化中心強度を用いている。たとえばＮＡ０．６で無収差の規格化中心強度は１、無収差のＣＤ−Ｒ記録用光スポットは、ＮＡ０．５で無収差であるからその規格化中心強度は（０．５／０．６）２＝０．６９４である。ＣＤ−Ｒ記録用光スポットでマレシャル基準の収差がある場合にはこの０．８倍であり、０．５５６となる。したがって収差がある光スポットでは規格化中心強度が０．５５６以上である必要がある。図４においてはこの無収差のＣＤ−Ｒ記録スポットのレベルを太い実線で、マレシャル基準を破線で示している。設計値の曲線は大きく２組あり、１組はピークにおいても破線を越えないのに対して、もう１組はＮＡ０．４８から０．５３位の範囲において破線を越えている。前者が従来設計による値であり、後者が本発明による新しい設計法による計算結果である。それぞれ複数の曲線があるのは、ＤＶＤ再生において許容するＲＭＳ収差の値を変えたものであり、それぞれ上から０．０２９λ、０．０２５λ、０．０２１λである。この程度の値はマレシャル基準に比べて十分小さく、設計上の残存収差としても許容できる。また当然ながらＤＶＤの許容収差値が大きいほどＣＤ再生スポットの品質が向上し、規格化中心強度が大きくなる。このように本発明においてはＣＤ用光スポットの有効ＮＡを約０．５１にすれば、ＣＤ−Ｒ記録用光スポットのマレシャル基準を上まわる光スポットが実現できることがわかる。
【００２４】
図５は図４の新しい形状の設計における、内側円形突出領域、輪帯陥没領域内径、輪帯陥没領域外径の設計値を示したものであり、縦軸はＮＡ値で領域境界を示している。それぞれ図４におけるＤＶＤ再生での異なる許容収差値での設計値を重ねて表示している。これによれば領域境界位置はＤＶＤ再生での許容収差値にはほどんど依存していないことがわかる。マレシャル条件以上の範囲となるこれらの値は、内側円形突出領域はＮＡ値で約０．１４〜約０．２０、輪帯陥没内側は約０．２５〜約０．２９、輪帯陥没外径は約０．４５〜約０．４９の範囲となっている。ＮＡ０．４２以下で輪帯陥没内径と外径が一致しているのは、輪帯陥没領域が存在しない方が規格化中心強度が高いことを示しており、その場合の数値は有効ＮＡと一致した値を表示している。
【００２５】
図６は図４の本発明での設計における、輪帯陥没部の位相シフト量を示している。なお、すでに述べたように円形突出領域での位相シフト量は輪帯陥没領域と絶対値を等しく、符号を反転させている。これによれば位相シフト量はＤＶＤ再生時の許容収差量によって異なり、０．０２１λから０．０２９λの範囲においては、位相シフト量はＣＤ再生波長０．７８５μｍをλとして約−１．８１〜約−１．７４λの範囲でマレシャル条件を上回る。
【００２６】
図７は図４の本発明での設計における、内側領域の最適基板厚を示している。ここですでに述べたように最適基板厚変化の境界は輪帯陥没領域の外径に一致させている。これによれば内側最適基板厚はＤＶＤ再生時の許容収差量によって異なり、０．０２１λから０．０２９λの範囲においては、約０．８５〜０．７４ｍｍの範囲であることがわかる。ＤＶＤの許容収差が大きいほどＣＤに適した形状が許容されるため、内側最適基板厚は１．２ｍｍに近づいている。またＣＤ再生の有効ＮＡが小さいほど、ＣＤ用の領域が狭くなるため、内側基板厚は１．２ｍｍに近い値が許容される方向となっている。
【００２７】
図８は図４におけるＤＶＤ波面収差許容値０．０２９λのときのおそらく最も規格化中心強度の高い結果を探索した設計例における波面収差形状である。このときＣＤの有効ＮＡは０．５０９であった。図２に比べて段差部が増えているものの、ＣＤにおける収差の低い領域が拡大していることがわかる。このとき内側最適基板厚は０．８１ｍｍ、ＣＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで１．７８１λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−１．７８１λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで２．１３４λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−２．１３４λである。これらは小数点以下が±０．５λ以下になるように整数部に２を加算または減算すると、円形突出領域の位相シフタで−０．２１９λ、輪帯陥没領域の位相シフタで０．２１９λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで０．１３４λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−０．１３４λである。グラフでは実質的にこの値が位相シフトに作用している。また境界部のＮＡは円形突出領域の位相シフタ外縁部が０．１８２、輪帯陥没領域の位相シフタ内径部が０．２７５、輪帯陥没領域の位相シフタ外縁部が０．４７５、ＣＤ−Ｒ記録ＮＡが０．５０９である。
【００２８】
図９はＤＶＤの波面収差を図８の実施例よりやや改善させることを意図し、図４でのＤＶＤ許容波面収差０．０２５λのときのＣＤ再生での規格化中心強度の最大値を探索した結果得られた設計例における波面収差形状である。このとき内側最適基板厚は０．７８ｍｍ、ＣＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで１．７８λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−１．７８λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで２．１３３λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−２．１３３λである。これらは小数点以下が±０．５λ以下になるように整数部に２を加算または減算すると、円形突出領域の位相シフタで−０．２２λ、輪帯陥没領域の位相シフタで０．２２λ、ＤＶＤにおける位相シフト量は円形突出領域の位相シフタで０．１３３λ、輪帯陥没領域の位相シフタで−０．１３３λである。また境界部のＮＡは円形突出領域の位相シフタ外縁部が０．１８３、輪帯陥没領域の位相シフタ内径部が０．２７２、輪帯陥没領域の位相シフタ外縁部が０．４７５、ＣＤ−Ｒ記録ＮＡが０．５１である。
【００２９】
図１０にＣＤ−Ｒ記録用の従来の光ヘッドにおけるディスク面上スポットプロファイルの計算結果を示す。ここで同じプロファイルに対して、左は鳥瞰図、右は等高線図である。なおここでは波長７８５ｎｍ、ＮＡ０．５、入射光のレンズエッジにおける強度（リム強度）は図中ｘ側で０．７６、ｙ側で０．１５として強度分布はガウス分布を仮定している。また等高線図の下の数値はスポット径とサイドローブ強度であり、ＷＨＸはｘ方向の半値全幅、ＷＨＹはｙ方向の半値全幅、ＷＥＸはｘ方向の１／ｅ＾２の全幅、ＷＥＹはｙ方向の１／ｅ＾２の全幅、ＳＤＸはｘ方向のサイドローブ強度の中心強度比、ＳＤＹはｙ方向のサイドローブ中心強度比である。スポット径の単位はすべてμｍである。
【００３０】
図１１に、これに比較して例えば図８で示した波面収差形状を与える本発明による対物レンズのＣＤ−Ｒ記録用スポットプロファイルを示す。ここでは集光のＮＡは０．６であり、収差の大きい周辺部分の光も合わせて計算している。リム強度は図１０に対してＮＡの大きい分、低減している。これによればスポット径は若干増大しているものの、誤差は１％程度であってほとんどばらつきの範囲内であると考えられる。
【００３１】
図１２は同様にして、通常のＤＶＤ専用のレンズを用いて、波長６５５ｎｍでＤＶＤを再生するときの光スポットプロファイルの計算結果である。このとき対物レンズへの入射光の強度分布は、やはりガウス分布を仮定し、リム強度はｘ方向で０．５７、ｙ方向で０．４９である。
【００３２】
これに対して図１３が図８に波面収差形状を示した本発明による対物レンズを用いて、波長６５５ｎｍでＤＶＤを再生するときの光スポットプロファイルの計算結果である。入射光の条件は図８と同一である。これについてはスポット径、サイドローブ強度ともほとんど図１２と同等の光スポットが得られていることがわかる。
【００３３】
図１４は図１０に示した通常のＣＤ−Ｒ用対物レンズによる光スポットを用いて、ＣＤ−ＲＯＭを再生した場合の再生信号アイパターンを計算したものである。これはＣＤ−ＲＯＭのランダムなコードパターンについて、再生信号を再生クロックに同期させて重ねたもので、ちょうどオシロスコープにおいて再生信号の立ち上がりをトリガーとして同期をとって表示した信号に相当する。信号品質の評価指標は中央部の格子の交差部の幅であり、クロックとの時間方向のずれの標準偏差として表したジッタを格子の幅（検出窓幅）で規格化してパーセント表示した値を用いる。図１４ではこの値が３．４％であった。ただし計算においては、隣接トラックのクロストーク、および最大反射光量に対して約１％のスライスレベルの変動を仮定している。通常、ＮＡ０．４５のＣＤ−ＲＯＭ用光ヘッドの再生信号ジッタは理想状態で６〜７％程度と考えられ、ＣＤ−Ｒ記録対応によりＮＡが０．５に増大した効果が表れていることがわかる。
【００３４】
図１５は図１４と同様の計算を、図１１に示した本発明による対物レンズによる光スポットを用いて行なったものである。ジッタは４．３％とやや増大しているが、ＮＡが増大したことによる効果と比べれば十分無視できる。ただしここでは検出光はＮＡ０．６の範囲をすべて受光することを前提としている。
【００３５】
図１６は図１５と同様の計算を、検出光束のうち、収差が小さい中心部分のみ受光することを前提として、行なったものである。実際の光ヘッドにおいては周辺部分の光は、収差が急激に増大するため波面の傾斜が大きく、散逸して受光領域をはずれて受光されないと考えられる。このような影響を考慮しても、ジッタの値としてはほとんど変化がなく、本発明の対物レンズにおいては、特に開口を制限する液晶などのフィルタは不要であることがわかる。
【００３６】
図１７は図１２に示した通常のＤＶＤ用対物レンズを用いた光スポットにより、ＤＶＤ−ＲＯＭを再生した場合の再生信号アイパターンの計算結果である。
ＣＤに比べて光スポットの縮小効果以上に密度を増大させている影響から、ジッタはＣＤに比べて明らかに大きい。ジッタの計算値はこのとき７．６％であった。
【００３７】
図１８は図１３に示した本発明による対物レンズを用いた光スポットにより、 ＤＶＤ−ＲＯＭを再生した場合の再生信号アイパターンの計算結果である。図１７のＤＶＤ専用レンズに比べてアイパターンにはほとんど変化がなく、ジッタもわずかに増大しているのみであり、ほとんど影響は現れていないことがわかる。
【００３８】
図１９は図８、図９に示した設計例において、内側円形突出領域のみのＮＡ値を変化させたときのＣＤでの規格化中心強度の変化を計算したものである。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、許容範囲はＮＡ値で約±０．０４であることがわかる。
【００３９】
図２０は図１９と同様に、内側円形突出領域のみのＮＡ値を変化させたとき、ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。マレシャル条件が０．０７λであることを考慮すれば、図１９におけるＣＤの規格化中心強度の劣化に比べ、ずれに対する許容範囲が広く、上記±０．０３のずれによりほとんど影響がないことがわかる。
【００４０】
図２１は図８、図９に示した設計例において、輪帯陥没領域内径のみのＮＡ値を変化させたときのＣＤでの規格化中心強度の変化を計算したものである。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、許容範囲はＮＡ値で約±０．０３であることがわかる。
【００４１】
図２２は図２１と同様に、輪帯陥没領域内径のみのＮＡ値を変化させたとき、ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。マレシャル条件が０．０７λであることを考慮すれば、図１９におけるＣＤの規格化中心強度の劣化に比べ、ずれに対する許容範囲が広く、上記±０．０３のずれによりほとんど影響がないことがわかる。
【００４２】
図２３は図８、図９に示した設計例において、輪帯陥没領域外径のみのＮＡ値を変化させたときのＣＤでの規格化中心強度の変化を計算したものである。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、許容範囲はＮＡ値で約±０．０２であることがわかる。
【００４３】
図２４は図２３と同様に、輪帯陥没領域外径のみのＮＡ値を変化させたとき、ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。輪帯陥没領域外径については、円形突出領域径、輪帯陥没領域内径のずれの影響と異なり、輪帯陥没領域外径大きいほど収差は大きく、輪帯陥没領域外径が小さいほど小さくなっている。これは輪帯陥没領域外径が本実施例での設計においては最適基板厚変化の境界と一致させているためである。つまり輪帯陥没領域外径が大きいとそれだけＣＤに最適な基板厚に近づけた領域が広くなるので、ＤＶＤの収差は大きくなる。しかしこれによれば上記に述べた±０．０２のずれに対しても波面収差は０．０４λ以下であり、問題はないことがわかる。
【００４４】
図２５は図８、図９に示した設計例において、円形突出領域の位相シフト誤差に対する、ＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、円形突出領域の位相シフトずれの許容誤差は約±０．１λであることがわかる。
【００４５】
図２６は図２５と同様に、円形突出領域の位相シフトを変化させたとき、 ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。これについても上記の±０．１λのずれに対して、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差の劣化は０．０１λ程度であり、ほとんど問題ないことがわかる。
【００４６】
図２７は図８、図９に示した設計例において、輪帯陥没領域の位相シフト誤差に対する、ＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、輪帯陥没領域の位相シフトずれの許容誤差は円形突出領域と同様に約±０．１λであることがわかる。
【００４７】
図２８は図２７と同様に、輪帯陥没領域の位相シフトを変化させたとき、 ＤＶＤの再生波面収差を計算した結果である。これについても上記の±０．１λのずれに対して、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差の劣化は０．０１λ程度であり、ほとんど問題ないことがわかる。
【００４８】
また円形突出領域と輪帯陥没領域で位相差の絶対値を等しく、符号を反転させることを設計上仮定したものの、図２５、２６、２７、２８からわかるように、それぞれ単独の位相ずれを与えても、ほぼ設計形状で最適な値となっていたことがわかる。
【００４９】
図２９は図８、図９に示した設計例において、内側最適基板厚を変えたときのＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。たとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、−０．０５ｍｍであることがわかる。基板厚が厚くなる方向については、よりＣＤの最適基板厚に近づく方向であるので、規格化中心強度はかえって大きくなる。
【００５０】
図３０は図２９と同様にして内側最適基板厚を変えたときの、ＤＶＤ再生スポットのＲＭＳ波面収差の計算結果である。これについては図２９と逆に基板厚が厚くなるとＤＶＤの最適基板厚０．６ｍｍからの差が大きくなる方向であるため、厚くなる方向で収差が大きくなっている。厚さが薄くなるとＤＶＤの最適基板厚に近づくため、収差は小さくなる。これによればたとえばＤＶＤのＲＭＳ波面収差を０．０４λ程度を許容値とすれば＋０．０５ｍｍであることがわかる。
【００５１】
図２９、図３０より内側最適基板厚の許容誤差は±０．０５ｍｍ程度であることがわかる。
【００５２】
以上の最適形状の範囲、および誤差について図３１にまとめる。図４、５、６、７に示したＣＤの有効ＮＡに対する最適形状範囲の下限と上限を表の左側に示す。ここで下限、上限はＣＤでマレシャル条件を満たす有効ＮＡの下限、および上限での設計値を示す。また図１９から３０に示した各パラメタの誤差の範囲を次の欄に示した。誤差はすでに述べたように、およそＣＤ−Ｒ用光スポットのマレシャル基準までのマージンが半分に減少する範囲を示しており、ＤＶＤのＲＭＳ波面収差の増大はこの範囲でほぼ問題ないことを確認している。これらを合成したときの下限と上限を次の複合範囲の欄に示した。合成にあたってはこれらの広い方の範囲を選んでいる。したがって本発明が効果を発揮するためにとりうる各パラメタの範囲はこれらの範囲であることがわかる。
【００５３】
また図３２は図８、図９に示した設計例において、ＣＤ用の光の波長を変えたときのＣＤ−Ｒ用光スポットの規格化中心強度を示す。これによればたとえばマレシャル条件までのマージンが半分になるまで劣化するずれを許容範囲と仮定すると、本実施例の設計仕様値である７８５ｎｍからのずれが±１５ｎｍ程度であることがわかる。これは通常の半導体レーザの仕様値に比べてほぼ十分な範囲である。
【００５４】
図３３はＤＶＤの再生波長を変えたときの、ＤＶＤの再生波面収差を示している。これによればたとえばＤＶＤでの許容波面収差を０．０４λとすれば、本実施例の設計仕様値である６５５ｎｍからのずれが±１５ｎｍ程度であることがわかる。これは上記と同様に通常の半導体レーザの仕様値に比べてほぼ十分な範囲である。
【００５５】
図３４は図８に示した設計仕様に対するレンズの実形状の実施例である。設計にあたっては松居吉哉「レンズ設計法」（共立出版、１９８９年、初版第７刷）にもとづき、まずＤＶＤの仕様に合わせて基板厚０．６ｍｍに対して３次の球面収差と画角に対する３次のコマ収差が同時に０となるように第１面の周辺領域形状および第２面の曲率、非球面係数、肉厚を決めた。このときにはまだＣＤ再生や、位相シフタの影響は何ら考慮しない。次に図８に示した波面収差形状において、位相シフタの寄与を除いた部分が得られるように第１面の内側領域の形状を、やはりまだ位相シフタの影響はのぞいて設計する。最適基板厚が変化する境界における輪帯陥没領域の位相シフト以外の位相、および境界の内外での近軸焦点位置の違いを満たす条件のもとに、図８の仕様の内側最適基板厚の平行平板を挿入したときに、上記と同様にして３次の球面収差が０となるように、第１面内側突出領域の曲率と非球面係数、肉厚を決めた。さらのこの形状に対して、図８に示した位相シフタを対物レンズの屈折率の値を考慮して段差の深さに換算し、指定された半径位置に設置する。このとき光線の進行方向を考慮して周辺部は段差の深さまたは方向を若干補正する。つまりレンズの光軸に対して平行に入射する入射光線も、光軸から離れた位置に入射する光線では第１面において斜めに屈折するため、そのような斜めの光線に対して所望の位相シフトを加えるためには実際上、光線の屈折方向にそって位相シフトを加えることが必要である。また本実施例においては第１面の内側領域の形状の計算においてコマ収差の影響を考慮していない。これを考慮するためには実際上、第２面にも内側領域を設ければよい。非球面対物レンズでは一般的に、球面収差と画角に対するコマ収差を同時に０とするには第１面、第２面の両面を非球面とすることが必要であり、内側最適基板厚において内側でも画角に対する３次のコマ収差係数を０とするにはやはり２面の専用の非球面が必要であることは必然である。したがって画角に対するコマ収差が問題となる場合には、両面で内側と外側で形状の異なるレンズとすればよい。図３４では図中に示した第ν面の面形状式において、第１面外側（第１Ａ面）、第１面内側（第１Ｂ面）、第２面の、曲率ｒ1A、ｒ1B、ｒ2、４次の非球面係数ｂ1A、ｂ1B、ｂ2、第１Ａ面と第２面の近軸での面間隔ｄ1A、第２Ａ面と第２面の近軸での面間隔ｄ1B、段差部の位相シフト以外の面不連続ｇ、位相シフトｓ1、ｓ2、位相シフトの境界半径Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、レンズの有効口径Ｒ、ＮＡ、などの計算結果を示している。
【００５６】
図３５は本発明による対物レンズを用いた光ヘッドの実施例である。波長６５０ｎｍのＤＶＤ用半導体レーザ３５１からの光はビームスプリッタ３５２により反射されて、コリメートレンズ３５３により平行光とされ、反射ミラー３５４により反射され、本発明による対物レンズ３５５により、基板厚さ０．６ｍｍのＤＶＤディスク３５６の記録膜面に集光される。一方、波長７８０ｎｍのＣＤ用半導体レーザ３５７からの光は、まず３ビーム方式によるトラッキング信号を得るために設置された回折格子３５８を透過し、ハーフミラー３５９の表面で反射され、ビームスプリッタ３５２を透過し、コリメートレンズにより平行光とされ、反射ミラー３５４を反射し、本発明による対物レンズ３５５により基板厚さ１．２ｍｍのＣＤディスク３５１０の記録膜面に集光される。回折格子によるサブスポットは０次光に対してディスク半径方向に１／２トラックずれて配置されるように回折格子の光軸まわりの回転角度を調整しておく。なおＣＤのトラッキングはプッシュプル方式と呼ばれるトラッキングも規格上可能であり、これのみを用いる場合には回折格子は不要となる。なお反射ミラー３５４は図では便宜上、上方に反射する配置としているが、実際には紙面に垂直な方向に反射させるのが光ヘッドの配置上望ましい。このとき基板厚さの違いにより、記録膜面の位置はＤＶＤディスク３５６とＣＤディスク３５１０で、基板厚差×（基板屈折率−１）だけ光軸方向にずれている。基板屈折率は約１．５８であるから、これは約０．３５ｍｍである。したがって対物レンズの表面からディスク基板表面までの距離、すなわちワーキングディスタンスは０．２５ｍｍずれている。ＤＶＤおよびＣＤディスクを反射した光は同じ光路を戻り、まず対物レンズ３５５で再び平行光とされ、反射ミラー３５４を反射し、コリメートレンズ３５３で収束光となり、ビームスプリッタ３５２、ハーフミラー３５９を透過して光検出器３５１１に集光される。ここでハーフミラー３５９は平行平板で形成されており、収束光が透過する場合、非点収差を発生する。この非点収差を非点収差焦点ずれ検出方式に利用して、焦点ずれ信号を検出する。そのため光検出器３５１１の受光面は４分割された光検出領域を持ち、これらの演算により、焦点ずれ信号のみならず、トラッキング誤差信号も検出し、これらのスポット位置制御信号を、対物レンズ３５５を搭載した対物レンズアクチュエータ３５１２の駆動信号とすることで、焦点位置制御を行なう。ここでビームスプリッタ３５２は光利用効率の点では、ダイクロイック偏光ビームスプリッタであることが望ましい。すなわち半導体レーザ３５１からの６５０ｎｍの光はビームスプリッタ３５２に入射するにあたってＳ偏光となるように配置し、ほぼ１００％反射させる。そして図中に示していないが、コリメートレンズ３５３から対物レンズ３５５の間にλ／４板を挿入しておき、ディスクに集光される光を円偏光となるようにする。すると反射光が再びλ／４板を透過したとき入射時と直交する偏光方向の直線偏光、すなわちＳ偏光となってビームスプリッタ３５２に入射する。するとＳ偏光はほぼ１００％透過して、光検出器３５１１に集光されることになる。一方波長７８０ｎｍのＣＤ用半導体レーザからの光は、ビームスプリッタを透過させないといけないため、７８０ｎｍの光では透過率をなるべく１００％に近づけるようにする。また７８０ｎｍについては反射光もやはり透過させる必要があるため、ビームスプリッタ３５２は７８０ｎｍでは偏光方向によらず透過率が１００％に近いことが望ましい。なお以上のような２つの半導体レーザの配置は必ずしも固定したものではない。光利用効率の設計上、半導体レーザ３５１の位置の方が効率が高く、ＣＤ−Ｒの記録のために７８０ｎｍの波長の方でより光利用効率を高くする必要がある場合、半導体レーザ３５１を７８０ｎｍとすることも有効である。ただしこのとき回折格子３５８は半導体レーザ３５１とビームスプリッタ３５２の間に挿入する必要がある。また逆に波長６５０ｎｍでもＤＶＤ−ＲＡＭなどの記録を行なう必要があり、ＣＤ−Ｒ記録よりも高い光利用効率が必要な場合には本実施例で説明したように半導体レーザ３５１を６５０ｎｍとするのが有効である。
【００５７】
また本発明における対物レンズでは、７８０ｎｍの光も６５０ｎｍの光も対物レンズに平行光束として入射することを想定している。このため反射光は２つの波長でほとんど同一の光路を戻るため、本実施例に示すように１つの光検出器３５１０での検出が可能となる。従来例において述べたように対物レンズに入射する光束の収束、発散の状態を２つの波長で異ならせることで対物レンズで発生する球面収差を用いて基板厚誤差による球面収差を補償する方法では、当然ながら反射光束の光路が２つの波長で異なることになる。したがってこのような従来の方法では光検出器を１つにすることができないので、製造コストの点でも不利となる。
【００５８】
ただし本発明は必ずしも２つの波長がともに平行光である必要もまたない。すなわち２つの波長の対物レンズへの入射光の収束、発散状態を、半導体レーザと対物レンズの相対的な位置ずれの許容範囲を満たす範囲内でずらし、多少この効果によって基板厚ずれによる球面収差の補償効果を満たした上で、本発明による対物レンズでさらに残りの球面収差を補償すればよい。このような設計はまた十分可能である。
【００５９】
図３６は光検出器３６１における検出信号から再生信号（ＲＦ信号）、焦点ずれ信号（ＡＦ信号）、トラッキング誤差信号（ＴＲ信号）を得る方式について説明する図である。焦点ずれ検出方式としては非点収差法による信号、トラッキング信号は、プッシュプル方式によるトラッキング誤差信号（ＰＰ信号）、位相差検出方式によるトラッキング信号（ＤＰＤ信号）、３ビーム方式によるトラッキング誤差信号（３ビーム信号）の３種類の信号を検出する実施例を示している。検出器３６１には４分割受光領域３６２、サブスポット用検出領域３６３、３６４がある。各受光領域からの光は電流電圧変換アンプ３６５で電圧に変換され、抵抗３６６をへて差動アンプ３６７に入力され、各種信号演算に用いる。
【００６０】
ＲＦ信号はメインスポット３６８の総光量を出力しており、演算は４分割検出領域３６２の各出力をすべて加算するように演算を行なっている。
【００６１】
ＡＦ信号は非点収差焦点ずれ検出方式による実施例を示しており、メインスポット３６８を受光する４分割検出領域３６２の対角方向の２領域を加算し、それぞれ２組の加算結果の差を演算する構成となっている。非点収差検出方式は検出光束に非点収差を与えて、焦点の前後で直交する直線状の焦線を生じることを用いて検出する方式である。
【００６２】
ＰＰ信号は記録可能な光ディスクにおいて主に用いられる検出方式であり、ディスク上に周期的に作られた案内溝による回折光どうしの干渉強度が、集光スポットと案内溝との相対的な位置ずれによりアンバランスを生じることを用いて検出する方法である。具体的にはＤＶＤ−ＲＡＭディスクや、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒなどが該当する。また先に述べたように、規格上ＣＤのトラッキングに対しても用いられることが規定されている。信号の演算はメインスポット３６８を受光する４分割検出領域の半径方向の分割線で分割されるそれぞれの２領域ごとの出力を加算し、その差を演算してトラッキング誤差信号とする。ここで検出器上の分布は非点収差により、非点収差付加の前の分布から、９０°回転している。
【００６３】
ＤＰＤ信号はＤＶＤ―ＲＯＭディスクで用いられている方法であり、ディスク上の光スポットが情報トラックからずれている場合、検出光束上でディスク半径方向と接線方向で分割される４領域の対角方向の２領域ごとの情報ピットによる検出光量変化に生じる時間遅れを検出する方法である。規格上、現状はＤＶＤ−ＲＯＭ、記録後のＤＶＤ−Ｒでしか規定されていないが、原理的にはＣＤでも検出可能である。信号の演算はメインスポット３６８を受光する４分割光検出領域の対角方向でない、２組の２領域ごとの出力の位相差を位相差検出回路３６１１、３６１２で検出して電圧として出力し、これらの差の演算を行なうことによりトラッキング信号とする。
【００６４】
３ビーム信号は現状ＣＤで広く用いられている方法であり、すでに述べたように回折格子により２つのサブスポットをディスク上にメインスポットの半径方向両側に１／２トラックずれて配置させ、メインスポットが情報トラックからずれているときに２つのサブスポットの検出光量に生じるアンバランスを検出する方法である。信号の演算は、２つのサブスポット３６９、３６１０の受光領域３６３、３６４の出力の差を演算することにより得られる。
【００６５】
図３７に本発明による光ヘッドを光ディスク装置に用いた場合の実施例を示す。
【００６６】
光ディスク装置３７００は、光ヘッド３７０１と、制御回路、及び、モータなどの機構系から構成されている。光ヘッド３７０１からの電気的な入出力はフレキシブル基板３７０２、３７０３を介して行われる。本実施例においては半導体レーザ３７０４、３７０５の駆動をフレキシブル基板３７０２、光検出器３７０６の入出力をフレキシブル基板３７０３によって行っている。
【００６７】
半導体レーザ３７０４、３７０５はユーザデータ３７０７をストアしたバッファメモリ３７０８のディジタル情報に応じて生成された、記録波形発生回路３７０９からの記録波形によりレーザ駆動回路３７１０で、その明滅を制御する。
【００６８】
光検出器３７０６による電流出力は信号演算回路３７１１によって電流電圧変換され、増幅され、本発明の演算方法によって演算され、焦点ずれ誤差信号、トラッキング誤差信号、ヘッド位置制御信号を生成する。前記２つの誤差信号は対物レンズアクチュエータ３７１２にフィードバックされ、集光スポットが光ディスク３７１３の記録膜面の情報トラックの上に常にあるように閉ループ制御される。他方、ヘッド位置制御信号はディスクのアドレス情報ピットから、ＲＦ信号によって検出され、光ヘッド３７０１を再生トラックの近傍にほぼ配置させるよう、ヘッド移動機構３７１４に入力される。こちらの制御はディジタル情報記録用の光磁気ディスクの場合にはやはり通常、閉ループ制御されるが、ＣＤ、ＤＶＤ、ＭＤなどにおいては開ループ制御させることが多い。
【００６９】
信号演算回路３７１１において得られたＲＦ信号は信号処理回路３７１５においてイコライザ処理、２値化、復号処理されディジタル情報を再生する。出力情報はバッファメモリ３７０８にストアされる。
【００７０】
光ディスク３７１３はスピンドルモータ３７１６で回転されており、スピンドルモータ駆動回路３７１７によってその回転が制御されている。さらにこれらすべての制御回路はコントローラ３７１８で制御されている。
【００７１】
本実施例においては、記録可能な光ディスクを例としたが、ＣＤ−ＲＯＭや、ＤＶＤ−ＲＯＭなど再生専用光ディスクにおいても、記録制御系が不要となるだけでそれ以外はほぼ同様の構成で光ディスク装置を実現できる。
【００７２】
本発明による光ヘッドを用いることで、光ディスク３７１３としてＤＶＤ再生、ＣＤ再生、ＤＶＤ−ＲＡＭ記録再生、ＣＤ−Ｒ記録再生が可能な光ディスク装置を実現できる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明により、ＣＤ再生、ＣＤ−Ｒ記録再生、ＤＶＤ−ＲＯＭ再生、ＤＶＤ−ＲＡＭ記録再生が可能な対物レンズが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ互換レンズ従来例を示す図。
【図２】 ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ互換レンズ従来例における波面収差を示す図。
【図３】 本発明による対物レンズの概略形状を示す図。
【図４】 従来設計と本発明のＣＤスポット規格化中心強度の比較を示す図。
【図５】 本発明における内側円形突出領域、輪帯陥没領域内径、輪帯陥没領域外径の設計値を示す図。
【図６】 本発明における輪帯陥没領域の位相シフト量の設計値を示す図。
【図７】 本発明における内側領域の最適基板厚の設計値を示す図。
【図８】 本発明による対物レンズの波面収差形状例を示す図。
【図９】 本発明による第２の対物レンズの波面収差形状例を示す図。
【図１０】 通常のＣＤ−Ｒ記録スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１１】 図８の波面収差形状を与える本発明の対物レンズによるＣＤ−Ｒ記録用スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１２】 通常のＤＶＤ専用対物レンズによるＤＶＤ再生光スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１３】 図８の波面収差形状を与える本発明の対物レンズによるＤＶＤ再生用スポットプロファイルの計算結果を示す図。
【図１４】 図１０に示した通常のＣＤ−Ｒ用対物レンズによる光スポットによるＣＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果を示す図。
【図１５】 図１１に示した本発明による対物レンズによる光スポットによるＣＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果（検出ＮＡ０．６）を示す図。
【図１６】 図１１に示した本発明による対物レンズによる光スポットによるＣＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果（検出ＮＡ０．５）を示す図。
【図１７】 図１２に示した通常のＤＶＤ用対物レンズを用いた光スポットによるＤＶＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果を示す図。
【図１８】 図１３に示した本発明による対物レンズを用いた光スポットによるＤＶＤ−ＲＯＭ再生信号アイパターン計算結果を示す図。
【図１９】 図８、図９に示した設計例における内側円形突出領域ＮＡ値に対するＣＤ−Ｒ用スポット規格化中心強度を示す図。
【図２０】 図８、図９に示した設計例における内側円形突出領域ＮＡ値に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２１】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域内径ＮＡ値に対するＣＤ−Ｒ用スポット規格化中心強度を示す図。
【図２２】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域内径ＮＡ値に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２３】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域外径ＮＡ値に対するＣＤ−Ｒ用スポット規格化中心強度を示す図。
【図２４】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域外径ＮＡ値に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２５】 図８、図９に示した設計例における円形突出位相シフト領域の位相シフト誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図２６】 図８、図９に示した設計例における円形突出領域の位相シフト誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２７】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域の位相シフト誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図２８】 図８、図９に示した設計例における輪帯陥没領域の位相シフト誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図２９】 図８、図９に示した設計例における内側最適基板厚誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図３０】 図８、図９に示した設計例における内側最適基板厚誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図３１】 最適形状の範囲と誤差をまとめた表。
【図３２】 図８、図９に示した設計例におけるＣＤ−Ｒ用波長誤差に対するＣＤ−Ｒ用光スポット規格化中心強度を示す図。
【図３３】 図８、図９に示した設計例におけるＤＶＤ用波長誤差に対するＤＶＤ再生ＲＭＳ波面収差を示す図。
【図３４】 図８に示した設計仕様に対するレンズの実形状を示す図。
【図３５】 本発明による対物レンズを用いた光ヘッドを示す図。
【図３６】 光検出器からの信号演算方法を説明する図。
【図３７】 本発明による対物レンズを用いた光ヘッドを搭載した光ディスク装置の実施例。
【符号の説明】
１…ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ再生互換対物レンズ、１２…外側領域、１３…輪帯位相シフタ、１４…エッジ部分、３…本発明によるＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ記録互換対物レンズ、３１…輪帯陥 没領域、３２…円形突出領域、３５１… ＤＶＤ用半導体レーザ、３５２…ビームスプリッタ、３５３…コリメートレンズ、３５４…反射ミラー、３５５…本発明による対物レンズ、３５６…ＤＶＤディスク、３５７…ＣＤ用半導体レーザ、３５８…回折格子、３５９…ハーフミラー、３５１０…ＣＤディスク、３５１１…光検出器、３５１２…対物レンズアクチュエータ、３６１…光検出器、３６２…４分割受光領域、３６３、３６４…サブスポット用検出領域、３６５…電流電圧変換アンプ、３６６…抵抗、３６７…差動アンプ、３６８…メインスポット、３６９、３６１０…サブスポット、３６１１、３６１２…位相差検出回路、３７００…光ディスク装置、３７０１…光ヘッド、３７０２、３７０３…フレキシブル基板、３７０４、３７０５…半導体レーザ、３７０６…光検出器、３７０７…ユーザデータ、３７０８…バッファメモリ、３７０９…記録波形発生回路、３７１０…レーザ駆動回路、３７１１…信号演算回路、３７１２…対物レンズアクチュエータ、３７１３…光ディスク、３７１４…ヘッド移動機構、３７１５…信号処理回路、３７１６…スピンドルモータ、３７１７…スピンドルモータ駆動回路、３７１８…コントローラ。
Claims (7)
-
複数種類の半導体レーザからの異なる波長の光を
それぞれ異なる厚みの透明基板ごしに集光する対物レンズにおいて、
入射面が、
前記半導体レーザの何れの波長の光に対しても位相差を生じさせる複数の段差によって、
光軸から順に、
光軸を含む円形突出領域と、
輪帯領域と、
唯一の輪帯陥没領域と、
を有する
厚い基板に対応する内側領域と、
内側領域よりも薄い基板に対応する外側領域とを、
有するように、
同心円状に、区画されており、
前記外側領域と、前記内側領域とにおいて、
それぞれ、互いに異なる非球面形状の輪帯を有することを特徴とする対物レンズ。 - 前記円形突出領域及び前記輪帯陥没領域の段差は、波面収差が零に近づくように、その深さがそれぞれ調整されていることを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
- 前記円形突出領域が一段の段差をもって突出したことを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
- 前記輪帯陥没領域が一段の段差をもって陥没したことを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
- 前記輪帯領域が、ひとつの面の輪帯からなることを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
- 前記円形突出領域、前記輪帯領域及び前記輪帯陥没領域は、互いに隣り合う同方向の複数の段差により区画されていることを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
- 前記輪帯陥没領域の外側の段差は内側の段差より深く設定されていることを特徴とする請求項１記載の対物レンズ。
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