JP3886313B2

JP3886313B2 - 光ピックアップ

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Publication number: JP3886313B2
Application number: JP2000017336A
Authority: JP
Inventors: 賢大滝
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001209966A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対応波長の異なる光ディスクから情報を記録再生する光学式記録再生装置における光ピックアップの光学系に関し、特に、異なる波長のレーザ光源を使うＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ及びＨＤ−ＤＶＤへの互換性を可能にする光ピックアップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式記録再生装置には、光記録媒体の例えばＣＤ(compact disc)、ＣＤ−Ｒ(compact disc rewritable)、ＤＶＤ(digital video disc)等の光ディスクから記録情報を読み取りできる光学式ディスクプレーヤがある。近年のＣＤ、ＣＤ−Ｒの普及はめざましいものがあるが、さらに大容量４．７ＧＢのＤＶＤが市場に導入されている。市場では更に高密度記録が可能なパッケージメディアの要求が強い。
【０００３】
記録密度の向上には、良く知られているように使用する光源の短波長化と対物レンズの開口数（ＮＡ）を高くすることが有効である。短波長化に関しては、ＧａＮ基板をベースにした短波長の半導体レーザ（例えば、波長４０５ｎｍ）の研究が進展をみせており実用化が近いレベルにある。短波長の半導体レーザを使った１５ＧＢ程度の高密度ＤＶＤ（ＨＤ−ＤＶＤ）システムの研究も同様に進められている。
【０００４】
そこで、ＨＤ−ＤＶＤ光学式記録再生装置には，ＣＤ、ＣＤ−Ｒ及びＤＶＤから記録情報を読み取りできる互換性すなわちコンパチビリティが求められることになる。
そのコンパチブル再生システムは、ＤＶＤを再生できることが当然のこととして義務づけられる。ここで問題になるのは、短波長のレーザではＤＶＤディスクのうち２層ディスクを読めないことである。これは２層ディスクの中間層の短波長光ビームでの反射率が低いために生じる。従って、コンパチブルディスクプレーヤを実現するために、ＨＤ−ＤＶＤシステムは波長４０５ｎｍ付近の青色の光ビーム（以下、単に青ともいう）を発光するレーザに加えて波長６５０ｎｍ付近の赤色の光ビーム（以下、単に赤ともいう）を発光するレーザを搭載する必要がある。
【０００５】
さらに、ＣＤ−ＲをＤＶＤの６５０ｎｍ付近及びＨＤ−ＤＶＤの４０５ｎｍ付近で再生することはできない。色素層でできたＣＤ−Ｒ記録層は、７８０ｎｍ近辺での反射率こそ高いがそれ以外の波長では急激に低下するからである。ＣＤは記録面がアルミニウム反射層なので他の波長で再生可能だが、ＣＤ−Ｒを再生するには７８０ｎｍ近傍の光源を必要とする。因みに、ＣＤ、ＣＤ−Ｒでは基板厚は１．２ｍｍであり、対応波長は７８０ｎｍ、対物レンズの開口数は０．４５程度である。また、ＤＶＤでは基板厚は０．６ｍｍであり、対応波長は６３５ｎｍ〜６５５ｎｍ、対物レンズの開口数は０．６程度である。ＨＤ−ＤＶＤでは基板厚は０．６ｍｍであり、対応波長は４０５ｎｍ、対物レンズの開口数は０．６程度である。
【０００６】
ＣＤ−Ｒを再生する要件は、７８０ｎｍ付近の波長で収差が補正されること、ディスク基板厚の違いを補正すること、ＮＡを変えること、がある。
従って、フルコンパチブルディスクプレーヤを実現するために、ＨＤ−ＤＶＤシステムは波長４０５ｎｍ付近の青色の光ビーム（以下、単に青ともいう）を発光するレーザに加えて波長６５０ｎｍ付近の赤色の光ビーム（以下、単に赤ともいう）を発光するレーザを搭載する必要がある。さらに、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ用の波長７８０ｎｍ付近の赤外線の光ビーム（以下、単に赤外ともいう）を発光するレーザも搭載する必要がある。
【０００７】
しかし、対物レンズの持つ色収差のために、従来の単レンズで波長の異なる種々の光をほぼ無収差で集光することは難しい。このため、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ及びＨＤ−ＤＶＤのコンパチビリティを確保するためには何らかの工夫が必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ及びＨＤ−ＤＶＤのコンパチブルプレーヤ用の光ピックアップの実現方法として、専用対物レンズを使う波長ごとに切替える方法が考えられるが、３種類の対物レンズを要すので複雑なレンズ切り替え機構が必要でコストが増大し、アクチュエータが大きくなるので小型化に不利である。また、他の方法として、対物レンズとコリメータレンズと組み合せる方法が考えられるが、対物レンズに対してコリメータが固定しているため、対物レンズの移動時の性能を維持することが難しい、などの問題が発生する。
【０００９】
いずれにしても、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ及びＨＤ−ＤＶＤのコンパチビリティーを確保するため複数光源を用い、専用のプリズム、レンズなどの光学系を構成すると、光ピックアップ又は光ヘッド全体が複雑になり、大型になる傾向がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、対応波長の異なる光ディスク又は記録面に対し記録再生可能な小型化に適した光ピックアップを提供することにある。
【００１０】
【発明を解決するための手段】
本発明の光ピックアップは、第１波長を有する第１光ビームを出射する半導体レーザの第１の光源と、第１波長より長い第２波長を有する第２光ビームを出射する半導体レーザの第２の光源と、第２波長より長い第３波長を有する第３光ビームを出射する半導体レーザの第３の光源と、前記第１、第２及び第３光ビームの光路を共通化させる光軸結合素子と、前記第１、第２及び第３光ビームを記録媒体の情報記録面に集光させる集光レンズと、を備えた光ピックアップであって、前記第１、第２及び第３の光源から前記集光レンズまでの光路中に配置されかつ前記光路の中心に配置された回転対称中心軸を有する回折格子を含む回折光学素子を備え、前記回折格子は、前記集光レンズを介して、前記第１及び第２光ビームについては絶対値が１次以上の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、前記第３光ビームについてはゼロ次の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光せしめる断面形状を有すること、
前記回折光学素子は、一対の平行に対向した透光性の平板と、前記平板に挟まれた液晶層と、前記平板の対向する内面にそれぞれ設けられ前記液晶層に電圧を印加する一対の対向電極と、前記平板の一方の前記液晶層に面した前記対向電極上に設けられた前記回折格子と、からなり、
前記一対の対向電極の少なくとも一方は、前記回転対称中心軸に配置された中央透明電極と、前記中央透明電極の周り配置された環状透明電極と、からなり、
前記第１又は第２光ビーム照射時には前記中央透明電極及び前記環状透明電極に同一電圧を印加し、前記第３光ビーム照射時には前記中央透明電極及び前記環状透明電極に異なる電圧を印加する電圧制御手段を備え、
前記第３光ビーム照射時には前記中央透明電極１６５ａと前記環状透明電極１６５ｂに与える印加電圧を、所定の回折次数に対して前記中央透明電極は最大効率、前記環状透明電極は最小の効率になるように前記電圧制御手段が設定されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の光ピックアップにおいては、前記回折光学素子は前記光路中を共通とする平凹レンズを有していることを特徴とする。
本発明の光ピックアップにおいては、前記回折光学素子は前記平板と一体化された平凹レンズを有し、前記回折格子は前記平凹レンズの平面に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の光ピックアップにおいては、前記回折光学素子は前記第１又は第２光ビームに対し凹レンズ作用をなすことを特徴とする。
【００１７】
本発明の光ピックアップにおいては、前記集光レンズは、第１及び第２光ビームの波長範囲で収差が補正されたレンズであることを特徴とする。
本発明の光ピックアップにおいては、前記回折格子は、前記集光レンズを介して、前記第１光ビームについては第１回折次数の第１光ビーム回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、前記第２光ビームについては前記第１回折次数より低次の第２回折次数の第２光ビーム回折光を情報読取光又は情報記録光として集光することを特徴とする。
【００１８】
本発明の光ピックアップにおいては、前記第１光ビーム回折光が２次回折光であるとき前記第２光ビーム回折光は１次回折光であることを特徴とする。
本発明の光ピックアップにおいては、前記回折格子の断面が鋸歯状又は階段形状の凹凸からなることを特徴とする。
【００１９】
【作用】
本発明で使う液晶ホログラムは、アクティブな素子であり印加電圧の操作による切り替えが比較的簡単にできる。また、印加電圧の微調により、回折効率を常に最大に維持するサーボ動作も可能である。一方の偏光ホログラムはレーザの偏光方向を直交させることによって、切り替え動作を擬似的に代用させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
（光ピックアップ）
図１は一例の形態の光ピックアップの概略を示す。光ピックアップは、第１波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍ好ましくは４０５ｎｍ付近の短波長の青を出射するＨＤ−ＤＶＤ用半導体レーザＬＤ１と、第１波長より長い第２波長すなわち６３０ｎｍ〜６６０ｎｍ好ましくは６５０ｎｍ付近のＤＶＤ用の中波長の赤を出射するＤＶＤ用半導体レーザＬＤ２と、第２波長より長い第３波長すなわち７８０ｎｍ付近のＣＤ、ＣＤ−Ｒ用の長波長の赤外を出射するＣＤ、ＣＤ−Ｒ用半導体レーザＬＤ３と、を備えている。この実施の形態では、ＤＶＤ用の赤のＤＶＤ用半導体レーザＬＤ２と、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ用の赤外のＤＶＤ用半導体レーザＬＤ３とが一体型の半導体レーザを用いている。半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２及びＬＤ３はそれぞれＣＤ、ＣＤ−Ｒ用、ＨＤ−ＤＶＤ用及びＤＶＤ用として切り替えて点灯される。
【００２１】
さらに光ピックアップは、これら第１、第２及び第３の光ビームすなわち青、赤及び赤外の光路を共通化させる光軸結合素子の光軸結合プリズム（色合成プリズム）１０を備えている。この光学系の光軸結合プリズム１０は、図１に示すように、半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２及びＬＤ３の発散光ビームを共通の光路となすように設計され、３つの波長のレーザビームの光軸を略一致させる機能を有する。光軸結合プリズム１０中のダイクロイックミラー１１は波長４０５ｎｍの青を反射する一方で、波長６５０ｎｍの赤及び波長７８０ｎｍの赤外を透過する特性を有しておりかつ、入射角度依存性を持つように多層誘電体薄膜により形成されている。また、光軸を合成する光軸結合素子は、光軸結合プリズムに限定されることなく、ダイクロイックミラーに代えて、回折角の波長差を使った回折格子、液晶コレステリック層などを、光軸結合素子に用いることができる。
【００２２】
また光ピックアップは、光軸結合プリズム１０の光軸の下流に偏光ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４及び対物レンズユニット１６を備えている。対物レンズユニット１６に１／４波長板１５も含まれている。以上の光照射光学系によって、第１、第２及び第３の半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２及びＬＤ３の少なくとも一つからのレーザビームは、光軸結合プリズム１０及び偏光ビームスプリッタ１３を経て、コリメータレンズ１４で平行光ビームにされ、対物レンズユニット１６によって、その焦点付近に置かれている光ディスク５に向けて集光され、光ディスク５の情報記録面のピット列上で光スポットを形成する。すなわち、図１に示すように、レーザ光源ＬＤ１、ＬＤ２及びＬＤ３の３つの光源からの青、赤及び赤外の光ビームが光軸結合プリズム１０によって１光路に合成されているので、対物レンズユニット１６は、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＨＤ−ＤＶＤ及びＤＶＤのいずれかの光ディスクの記録面上に対応する青、赤又は赤外のいずれかを集光させる。
【００２３】
以上の光照射光学系に加えて、光ピックアップはさらに検出レンズ１７など光検出光学系を有しており、対物レンズユニット１６、１／４波長板１５及び偏光ビームスプリッタ１３は光検出光学系にも利用されている。ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＨＤ−ＤＶＤ及びＤＶＤの何れか１つの光ディスク５からの反射光は、対物レンズユニット１６で集められ、１／４波長板１５を介して偏光ビームスプリッタ１３によって検出用集光レンズ１７に向けられる。検出レンズ１７で集光された集束光は、例えば、シリンドリカルレンズ、マルチレンズなどの非点収差発生素子（図示せず）を通過して、例えば、直交する２線分によって４分割されてなる４つの受光面を有する４分割光検出器の受光面２０中心付近に光スポットを形成する。
【００２４】
また、光検出器の受光面２０は復調回路を含むコントローラ３０及びエラー検出回路３１に接続されている。エラー検出回路３１は対物レンズユニットのトラッキング制御及びフォーカス制御用のアクチュエータ２６を含む機構を駆動する駆動回路３３に接続されている。
４分割光検出器は、その受光面２０中心付近に結像された光スポット像に応じた電気信号をコントローラ３０及びエラー検出回路３１に供給する。コントローラ３０の復調回路は、その電気信号に基づいて記録信号を生成する。エラー検出回路３１は、その電気信号に基づいてフォーカスエラー信号や、トラッキングエラー信号や、その他サーボ信号などを生成し、アクチュエータの駆動回路３３を介して各駆動信号を各アクチュエータに供給し、これらが各駆動信号に応じて対物レンズユニット１６などをサーボ制御駆動する。
（対物レンズユニット）
対物レンズユニット１６は、図１に示すように、光ビームを光ディスク記録面へ集光する集光レンズ１６ａと、電気で制御できる液晶層を備えた回折光学素子１６ｂと、を組み合せた複合対物レンズの組立体である。集光レンズ１６ａ及び回折光学素子１６ｂは、ホルダ１６ｃによって光路中心に同軸に配置される。
【００２５】
集光レンズ１６ａは、青の波長範囲４００ｎｍ〜４１０ｎｍ又は赤の波長範囲６３０ｎｍ〜６６０ｎｍで、又は少なくとも青の波長範囲で収差が補正された非球面レンズを用いる。集光レンズ１６ａは、青と赤の両波長範囲で収差が補正されたレンズを使うことがさらに望ましい。理由は赤と青の両波長での公差が緩くできるからである。一般的に、収差は波長で正規化され波長に反比例して公差が厳しくなるので、赤と青の波長で比べると、青の波長での望ましい特性を出す方が難しくなるので、特に、青の波長範囲で収差が補正された非球面レンズを使うことが望ましい。両波長で補正されている集光レンズとしては、通常の単一光学ガラスレンズが用いられ、更に、フォトポリマーいわゆる２Ｐを用いた２Ｐ法で作成された２Ｐ対物レンズなどが用いられる。
【００２６】
光源側すなわち光軸結合プリズム１０から集光レンズ１６ａまでの光路中に位置する回折光学素子１６ｂは、図２に示すように、一対の平行に対向したガラスなどの透光性の平板１６１、１６２と、これら平板に挟まれた液晶層１６３と、平板の対向する内面にそれぞれ設けられ液晶層に電圧を印加する一対の対向透明電極１６４、１６５と、その一方の平板の液晶層に面した内面上に設けられた回折格子１６ｅ（DOE: diffractive optical element）と、からなる。回折光学素子１６ｂの平板１６１、１６２の内側にある透明電極層１６４、１６５はＩＴＯ等により形成される。電極１６５は内側と外側で分割されている。この液晶制御用の透明電極は電極分割線で内外に二分割され、ＣＤ再生時にＮＡを制限する目的で使われる。分割線の半径はＣＤ再生に必要なＮＡ（通常０．４５程度）で決まり、ＤＶＤ再生のＮＡ０．６との比で、対物レンズ有効径の３／４程度で分割するのが好ましい。
【００２７】
液晶に接触している回折格子１６ｅは図２に示すように、光路の中心に配置された回転対称中心軸を有するパターンで形成され、光軸を中心に複数本の同心円に切削され又はホトリソグラフィにより積層された環状溝又は凸の輪帯すなわち、複数の凹凸からなるフレネルレンズ又はホログラムレンズを有する。回折格子１６ｅは、図３に示すように、その断面がブレーズ形状すなわち鋸歯状、又は、図４に示すように、階段形状となるように形成される。例えば、鋸歯状断面の回折格子は回折効率が他より高いので有利である。
【００２８】
回折格子１６ｅは、ＨＤ−ＤＶＤ又はＤＶＤの再生に必要な集光スボット径を実現するために必要な集光レンズ１６ａの開口数に相当する半径領域に同心円のホログラムパターン状で形成されている。また、回折格子１６ｅのホログラムパターンは、青又は赤の半導体レーザから出射し、コリメートレンズ１４など光学部品を透過した後に回折光学素子１６ｂに入射した光と、ＨＤ−ＤＶＤ又はＤＶＤの記録層で反射された後に集光レンズ１６ａを透過し、回折光学素子１６ｂに入射した光を回折格子を形成する面上で干渉させたときの干渉パターンと同じである。すなわち、回折格子のホログラムパターンは、１次回折光が生じたときに、光が対物レンズ５とＨＤ−ＤＶＤ又はＤＶＤのディスク基板を透過することにより発生する球面収差を打ち消すような収差を有するように、設定される。
【００２９】
回折格子１６ｅは、青又は赤に対し凹レンズ作用をなすように、設計されている。さらに、回折格子１６ｅは、集光レンズ１６ａを介して、青及び赤については１次以上の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、赤外についてはゼロ次の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光せしめるように、設計されている。
【００３０】
鋸歯又は階段断面形状の回折格子１６ｅの作成法として、フォトリソグラフィ技術を応用する方法、ダイヤモンドバイトなどで精密切削する方法がある。これらによって、擬似的にブレーズを形成した多段階ブレーズ又はブレーズ形状の回折格子が透明電極上に形成できる。多段階ブレーズ又はブレーズ形状を金型に雛形を形成しておき、射出成形又はいわゆる２Ｐ法で透明プラスチック材料から回折格子を複製することもできる。回折格子１６ｅの断面形状は矩形でもよく、その断面が平坦板状で屈折率が周期的変化する構造でもよい。
【００３１】
このように、同心円状のパターンの回折格子１６ｅを有する回折光学素子のピッチＰは設計値によって定められる。回折格子のピッチが細かくなるほど、収差の波長依存性は向上するが、ピッチが波長の５倍以下になると、原理的に回折効率が大きく低下する。また、ピッチが細かいほど形状ずれによる影響が大きくなる。そこで本実施の形態では、ピッチ１μｍの形状ずれが５％に相当する値として、２０μｍ以上を望ましい値とする。また、回折光学素子のピッチは、凹レンズの形状と組み合せた結果として、青と赤の波長に対して色収差が補正される条件と、ＣＤ再生時の赤外の波長に対して収差が補正される条件と、ディスク基板厚の０．６ｍｍから１．２ｍへの違いを補正する条件とを満たすように設計されている。ＣＤ再生時のＮＡを変えるためには上記内側及び外側電極にて内外周での印加電圧の調整で行なう。
【００３２】
回折格子のブレーズの深さは以下のように決める。液晶の屈折率をｎｌｃとし、ブレーズを形成している母材の屈折率をｎとする。使用する光源の波長をλとしたときＭ次回折光が（Ｍは整数）最大になる深さＬは次式を満たすとき、最大の値となる。
【００３３】
【数１】
Ｌ＝Ｍ・λ／（ｎｌｃ−ｎ）
従って、各波長で上記式を満たすように、Ｌ、Ｍ、ｎ、ｎｌｃを定める必要がある。ここで液晶の屈折率ｎｌｃは、与える印可電圧によって変化し、その最大値ｎ‖（液晶分子の長軸方向と平行）と最小値ｎ⊥（液晶長軸と垂直）の間の値をとれる。以上のことを踏まえて、実際の数値を入れて計算する。
【００３４】
青と赤は１次回折光、赤外は０次回折光、ブレーズ母材として屈折率およそｎ＝１．５のフォトポリマーいわゆる２Ｐを用い、液晶材料としてはメルク社のＺＬＩ−５０４９（ｎｌｃ＝１．５〜１．７）を使えば、ＨＤ−ＤＶＤの場合はλ＝０．４μｍ、Ｍ＝１、ｎ＝１．５、ｎｌｃ＝１．７なので、Ｌ＝２μｍとなり、ＤＶＤの場合はλ＝０．６５μｍ、Ｍ＝１、ｎ＝１．５、ｎｌｃ＝１．７なので、Ｌ＝３．２５μｍとなる。ＣＤの場合はλ＝０．７８μｍ、Ｍ＝０、ｎ＝１．５、ｎｌｃ＝１．５となる。
【００３５】
このことから、ブレーズ深さＬは最も厚いＤＶＤのＬ＝３．２５μｍに設定すれば良く、ＨＤ−ＤＶＤの波長０．４μｍに対してはｎｌｃの値を１．６２３にすれば上記式を満足する。
図２の回折光学素子１６ｂの構成において、液晶層の膜厚は上記Ｌより厚いことが当然必要で、５〜２０μｍ程度の膜厚に設定する。ガラス平板の基板の膜厚は通常０．７ｍｍ〜１．１ｍｍが使われる。
【００３６】
図２に示すように、回折格子１６ｅ下の分割されている対向電極１６５は、回折格子の回転対称中心軸に配置された中央透明電極１６５ａと、その周り配置された環状透明電極１６５ｂと、からなる。透明電極１６４、１６５各々の膜厚は透明電極自身で光が回折しないような膜厚に設定されている。中央及び環状の透明電極１６５ａ、１６５ｂは、これらへ独立して電圧を印加する電圧制御回路１６８すなわち電圧制御手段に接続されている。回折光学素子の光路長差を、青と赤と赤外の波長の必要な回折次数に対してそれぞれ高い回折効率が得られるように、液晶に適切な電圧を与える。必要な回折次数は例えば、青と赤に対しては０次回折光以外、赤外に対しては０次回折光である。
【００３７】
図２に示すように、回折光学素子１６ｂは光路を共通にした平凹レンズ１７０を有している。図２では平凹レンズ１７０は回折光学素子１６ｂの光学的下流に配置され集光レンズ１６ａ側に凹部を向けているが、図１９に示すように、素子の液晶を制御する電極１６５ａ及び１６５ｂ並びに回折格子１６ｅを光学的上流側の透光性平板１６１上に設けて、平凹レンズ１７０が回折光学素子１６ｂの光学的上流において光源側に凹部を向けて配置されることも好ましい。凹レンズ１７０は通常、単レンズで、凹面は球面または非球面で形成される。もう片方の面は、球面であっても良いが製作上は平面の方が簡便である。凹レンズ１７０は通常、液晶回折光学素子と別に配置されるが、図２に示したように液晶の平板基板と接着することができる。また、部品数を減らすために、図５に示したように凹レンズ１７１が液晶のガラス基板を兼用するように構成することもできる。図５では一体化された凹レンズ１７１は回折光学素子１６ｂの光学的下流側に位置し集光レンズ１６ａ側にその凹部を向けているが、図１９の構成と同様にして、図２０に示すように、回折光学素子１６ｂの光学的上流側に位置して光源側に凹部を向けて素子の透光性基板と一体化することもできる。回折光学素子１６ｂの基板を凹レンズにすることは、最良像点を固定した集光レンズ１６ａの特性に対し、波長依存特性が凹レンズで改善し反対に凸レンズで劣化となる影響が生じるからである。
【００３８】
さらに、図６に示すように液晶回折光学素子１６ｂの透光性の平板１６１の光源側表面にコリメータレンズ１４を配置することも可能である。そのような設計にすれば、集光レンズ１６ａ側凹レンズを省くことができる。
上記のレンズ系と回折光学素子の設計は３波長のそれぞれの条件において、集光レンズを含めて性能を満足するように定める。その理由は、集光レンズと回折光学素子の合成のパワーを、どちらかの波長でほぼ０とすることができ、位置精度などの公差を緩くすることができるからである。さらに、使う回折光学素子の回折次数はそれに合わせて設定する。例えば、通常の光学ガラスの集光レンズの時は、赤と青が１次回折光、赤外が０次回折光の組み合わせ、或いは青２次回折光、赤１次回折光、赤外０次回折光などの組み合わせが可能である。また、上記の２Ｐ対物レンズを使う場合は、赤青が０次回折光、赤外０次回折光の組み合せが可能である。更に、プラス回折次数の回折光の他にマイナス回折次数の回折光を使うこともできる。
【００３９】
回折光学素子１６ｂは中央透明電極１６５ａ及びその外側に形成された環状透明電極１６５ｂと透明電極１６４との間に液晶層１６３を挟んだ構造であるので、電極１６５ａと透明電極１６４と間若しくは電極１６５ｂと透明電極１６４と間に独立に電圧を印加すると、電圧印加形態により、回折光学素子１６ｂは次の２つの機能を果たす。
【００４０】
図７に示すように、回折光学素子１６ｂは、両電極１６５ａ、１６５ｂに同一電圧を印加することによって、液晶層１６３が中央透明電極１６５ａの外側と内側を透過する光の偏光方向を等しくする機能を有する。さらに、図８に示すように、両電極１６５ａ、１６５ｂに異なる電圧を印加することによって、液晶層１６３が中央透明電極１６５ａの外側を透過する光の偏光方向を中央透明電極１６５ａを透過する光の偏光方向に対して９０°回転する機能を、回折光学素子１６ｂは有している。したがって、２つの電極１６５ａ、１６５ｂへ電圧印加することにより、集光レンズ１６ａの実効的な開口数を変化させることができる。電圧制御回路１６８は青又は赤の照射時には中央透明電極１６５ａ及び環状透明電極１６５ｂに同一電圧を印加し、赤外の照射時には両電極１６５ａ、１６５ｂに異なる電圧を印加する制御をなす。それにより、回折光学素子１６ｂは内周では赤外の０次回折光の効率が高く、外周では低くして、ＮＡを制限する効果を発揮する。
【００４１】
次に、回折光学素子１６ｂの動作について説明する。図１に示すように、光ディスクが装置に装填された時には、光ディスクの種類を識別する手段（図示せず）によって、光ディスクの種類を識別し、その結果、識別信号がコントローラ３０へ供給される。装填光ディスクに応じてコントローラ３０が電圧制御回路１６８を駆動し、あらかじめ設定された液晶動作電圧を中央透明電極１６５ａと環状透明電極１６５ｂを介して液晶層１６３に印加する。
【００４２】
この他に、液晶印加電圧の設定誤差や周囲温度により、最適印加電圧からずれている場合は、検出器の受光面２０の受光光量が常に最大になるようにサーボ動作をすれば良い。ＣＤ或いはＣＤ−Ｒ再生時には内外周の中央透明電極１６５ａと環状透明電極１６５ｂに与える印加電圧を、所定の回折次数に対して内周は最大効率、外周は最小の効率になるように設定する。これも、検出器の受光面２０からのＲＦ信号やジッタを常に最適にするようなサーボ動作させることで実現できる。
【００４３】
このような機能を有する光ピックアップとして、例えば、回折格子が青（４０５ｎｍ）に対しては１次回折光、赤（６５０ｎｍ）に対しては１次回折光、赤外（７８０ｎｍ）に対しては０次回折光を使った回折光学素子を、回転対称体として設計した対物レンズユニットを含む光ピックアップを作製した。光ディスクの条件は青の４０５ｎｍではＮＡ＝０．６１でディスク基板厚０．６ｍｍであり、赤の６５０ｎｍではＮＡ＝０．６０でディスク基板厚０．６ｍｍであり、赤外の７８０ｎｍではＮＡ＝０．４５でディスク基板厚１．２ｍｍである。
【００４４】
非球面の集光レンズの光源側に平凹のレンズの回折光学素子が配置され、その凹面上に回折格子を形成し、凹面及び回折格子はいずれも非球面形状とした。よって、第１面及び第２面は回折光学素子の入射面及び出射面であり、第３面及び第４面は集光レンズの入射面及び出射面である。
各非球面Ｚは次式数２で表される。
【００４５】
【数２】

【００４６】
（但し、Ｚ：ＳＡＧ量、Ｒ：曲率半径、Ｋ：円錐係数、ｒ：光軸からの半径、ＡＳｉ：非球面係数）
位相関数Φ（ｒ）は、は次式数３で表される。
【００４７】
【数３】

【００４８】
（但し、dor：回折次数、λ₀：波長、ｒ：光軸からの半径、ＤＦ１〜ＤＦ５：係数）
自動設計された各非球面レンズのデータは表１〜３のとおりである。
【００４９】
【表１】

【００５０】
【表２】

【００５１】
【表３】

【００５２】
図９に、得られた対物レンズユニットのＨＤ−ＤＶＤ（光ディスク厚み０．６ｍｍ、光源波長λ=４０５±５ｎｍ）に対する波面収差の変化Ａ、ＤＶＤ（光ディスク厚み０．６ｍｍ、光源波長λ=６５０±１０ｎｍ）に対する波面収差の変化Ｂ、ＣＤ（光ディスク厚み１．２ｍｍ、光源波長λ=７８０±１０ｎｍ）に対する波面収差の変化Ｃを示す。図９において横軸に波長、縦軸に光軸上での波面収差量（rms（λ））をとった波長依存性を示す。図示するように対物レンズユニットの波面収差はいずれの波長においてもマレシャル限界０．０７λ以下に抑えられている。
【００５３】
このように、本発明の回折格子は、集光レンズを介して、青及び赤については絶対値が１次以上の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、赤外についてはゼロ次の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光せしめるように、設計されるが、更に、回折格子は、青については高い回折次数の第１光ビーム回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、赤についてはその高い回折次数より低次の回折次数の第２光ビーム回折光を情報読取光又は情報記録光として集光するように、設計され得る。
【００５４】
例えば、回折光学素子１６ｂの回折格子１６ｅは、図１０に示すように、波長４０５ｎｍの青色の第１光ビームが透過するとき、その２次の回折光Ｂ２を、情報読取光又は情報記録光として集光レンズ１６ａを介してＨＤ−ＤＶＤディスク記録面上に集光するように、形成されるとともに、同時に回折格子１６ｅは、図１１に示すように、波長６５０ｎｍの赤色の第２光ビームが透過するとき、第１光ビーム回折光の２次回折光より低次の１次回折光Ｒ１を、情報読取光又は情報記録光として対物レンズを介してＤＶＤディスク記録面上に集光するように、形成される。これら場合、赤の０次回折光Ｒ０及び高次回折光並びに青の０次及び１次回折光Ｂ０及びＢ１はディスク記録面上に合焦状態にないので、これら回折光は読取又は記録にはほとんど影響しない。上記例では光源の第１及び第２光ビームすなわち赤と青の半導体レーザの波長範囲はそれぞれ赤（６３０〜６６０ｎｍ）、青（４００〜４１０ｎｍ）としているが、この範囲であれば回折効率が大きく変化することがないからである。さらに、第１光ビーム回折光の第１回折次数は、第２光ビーム回折光の第２回折次数より１だけ大きく、かつ第２光ビーム回折光の第２回折次数は１以上であることが好ましい。よって、第１光ビーム回折光が２次回折光であるとき第２光ビーム回折光は１次回折光である上記の例の他に、ＨＤ−ＤＶＤ用に波長４０５ｎｍの３次回折光を第１光ビーム回折光に用いたときＤＶＤ用に波長６５０ｎｍの第２光ビーム回折光として２次回折光が集光されるように、回折光学素子１６ｂの回折格子１６ｅは作製され得る。
【００５５】
この実施形態では赤外に対し０次の回折光すなわちパワーを持たない回折格子を用い、赤と青の０次の回折光を用いずに、青の２次の回折光を用い、赤では２次より１つ低次の１次回折光を用いるように、回折格子は形成されている。すなわち、本発明の回折格子は、その光路長差を、赤と青の波長の必要な回折次数に対してそれぞれ高い回折光率が得られるように形成されている。
【００５６】
例えば、ブレーズ断面形状の回折格子を、ピッチＰを１６０〜２６０μｍとして、回折格子の深さｄを０〜３μｍに変化させて、基材として例えばＯＺ−１０００（日立化成）のプラスチック材料からなる回折光学素子を作製した場合の、回折格子の回折効率の変化を算出してみる。
実施の形態における回折格子は、そのピッチが波長より十分長いのでスカラー理論が適用でき、また、その深さが波長程度なのでいわゆる薄膜グレーティングとして扱える。その場合、回折効率ηｍは次式数１で表される（ｍは回折次数）。
【００５７】
【数４】

【００５８】
式中、Ａ（ｘ）は透過振幅分布、ψ（ｘ）は位相分布、Ｔはグレーティングのピッチを示している。計算においてはＡ（ｘ）＝１として規格化している。
また、回折格子のピッチについて一般にピッチが細かくなるほど、収差の波長依存性は向上するが、ピッチが波長の５倍以下になると、原理的に回折効率が大きく低下する。また、ピッチが細かいほど形状ずれによる影響が大きくなる。そこで本実施の形態では、ピッチ１μｍの形状ずれが５％に相当する値として、２０μｍ以上を望ましい値とする。
【００５９】
図１２は、横軸に回折格子の深さｄ、縦軸に回折格子の回折効率の変化を算出した結果である。図中の“Ｂ０”、“Ｂ１”、“Ｂ２”、“Ｂ３”はそれぞれ青の０次回折光、１次回折光、２次回折光、３次回折光の回折効率を、“Ｒ０”、“Ｒ１”、“Ｒ２”はそれぞれ赤の０次回折光、１次回折光、２次回折光の回折効率を示す。
【００６０】
図１２から明らかなように、ブレーズ化した回折格子は位相深さが光の１波長λ毎の周期で回折効率が最大値をとる。回折格子の位相深さは、ｄを実際の回折格子の深さ、ｎを回折光学素子基材の屈折率とすると、これらの積ｄ（ｎ−１）で表される。波長λ＝４０５ｎｍに対し基材材料の屈折率ｎ_B＝１．５３１で、波長λ＝６５０ｎｍに対し同屈折率ｎ_R＝１．４９８であるので、これから計算すると４０５ｎｍで位相差が１波長λになる回折格子の深さは０．７６３μｍで、この深さで青の１次回折光の回折効率が最大になる。青の２次回折光はその倍の１．５２６μｍ、同様に赤の１次回折光は１．３０５μｍで最大となる。
【００６１】
これらのことから、赤と青のいずれの波長でも高い回折光率が得られる回折格子の深さは、Ｒ１とＢ２の交点、Ｒ２とＢ３の交点であることが分かる。つまり第１波長の青の２次回折光Ｂ２及び第２波長の赤の１次回折光Ｒ１で使う１．４２μｍ付近と、青の３次回折光Ｂ３及び赤の２次回折光Ｒ２で使う２．４μｍ付近が、高回折光率が得られる回折格子の深さである。回折格子の深さは０．２μｍずれると十数％位の効率減少になるので、これ以上を確保するためには、高回折光率が得られる回折格子の深さが、１．４２±０．２μｍ又は２．４０±０．２μｍの範囲内とすることが好ましい。
【００６２】
また、図１２から明らかなように、第１光の青の１次回折光Ｂ１及び第２波長の赤の１次回折光Ｒ１の交点（回折格子の深さは、０．９６５μｍ）においても、回折光率が８０％程度と決して低くはないが、少しでも回折格子の深さにずれが生じると、回折効率が大きく低下する。青の２次及び３次回折光の回折効率のピークは深さ１．５２６μｍ及び２．２８９μｍで、同様に赤の１次及び２次回折光では１．３０５μｍ及び２．６１０μｍであるので、回折格子の深さにずれが生じても青及び赤の回折効率のピーク近傍の交点であれば、回折効率の変動が少ないが、それぞれのピークから離れる交点では大きく変動する。
【００６３】
本発明によれば、青のレーザー光源を使うＨＤ−ＤＶＤと赤のレーザー光源を使うＤＶＤと、更に、赤外線レーザ光源を使うＣＤ及びＣＤ−Ｒのそれぞれの情報再生が可能で、計３波長に対応して１個の対物レンズでコンパチビリティを可能にする光ピックアップを実現でき、対物レンズとして青又は赤の波長範囲で補正されたレンズを使う場合、はるかに緩和された設計が可能となる。
（第２の実施の形態）
図１３に示すように、上記実施形態の液晶装置を用いた回折光学素子１６ｂ及び電圧制御回路１６８に代えて、偏光素子を用いた偏光回折光学素子１６９を設けた以外、上記実施形態と同一の光ピックアップが構成され得る。また、この回折光学素子１６は集光レンズ側に凹部を向けた平凹レンズを有している構成としてもよい。さらに、回折光学素子は集光レンズ側の相補的透光性平行平板と一体化され集光レンズ側に凹部を向けた平凹レンズを有することもできる。
【００６４】
図１４に示すように、かかる偏光回折光学素子１６９は、ニオブ酸リチウムなどの一軸結晶の異方性光学材料からなる平板の主面に上記の手法により設計した回折格子１６ｅの凹部を形成した異方性光学材料基板１６９ａと、光学ガラスなどの等方性材料からなるその凹部に充填した充填部１６９ｂとからなり、両主面を平行平面としたものである。異方性光学材料基板１６９ａが光源側には位置される。すなわち、回折光学素子は、異方性光学材料からなる透光性平行平板１６９ａ上に形成された回折格子１６ｅと、回折格子に充填された等方性光学材料からなる相補的透光性平行平板１６９ｂと、からなる。回折格子１６ｅは凹レンズとして作用しその断面は好ましくはブレーズ形状となるように、形成される。回折光学素子の光路長差を、青と赤の２波長の必要な次数に対してそれぞれ高い回折効率が得られるようにする。すなわち、回折格子の段差深さは赤と青の波長に対して効率の高い値に設定される。
【００６５】
図１４に示すように、異方性光学材料基板１６９ａの光学軸を例えばその平面に沿った方向に配置すると、垂直に入射した光は図１５及び図１６に示すように、異常光と常光とが生じる。そこで、異方性光学材料基板１６９ａの常光における屈折率と等しい屈折率を有する等方性光学材料にて、相補的透光性平行平板１６９ｂを形成する。この場合、偏光回折光学素子に入射する赤と青の光の偏光方向が異方性光学材料基板１６９ａが作用する偏光方向と同一になし、かつ赤外光の偏光方向に対してはそれと直交する偏光方向を使う。すなわち、青、赤及び赤外の光ビームのうち赤外の主要な偏光面を他の光の主要な偏光面に対して例えば９０度傾斜させれば、図１５に示すように、青と赤の第１方位（紙面平行）に対しては回折光学素子として作用し、図１６に示すように、それと直交する赤外の第２方位（紙面垂直）は等方的となり単なるガラス平行平板と等価になる。なお、光ビームの入射方向と異方性光学材料基板１６９ａの光学軸とを平行にしなければ、異常光と常光とが生じるので、異方性光学材料の一軸結晶の光学軸が光ビームの入射方向に対し傾斜していればよい。
【００６６】
このように、赤と青のレーザは第１の方位で入射し、赤外については第２の方位で入射させることにより、例えば、赤は１次回折光、青は２次回折光、赤外は０次回折光の回折光を使う条件が満たされるようになる。
図１７に示すように、直交xyz座標にてz軸を入射方向として、x軸を異常光の偏光面、y軸を常光の偏光面と設定した場合、青と赤の光ビームの偏光面を赤外の光ビームの偏光面に対して傾斜させる手段としては、青と赤のＨＤ−ＤＶＤ用半導体レーザＬＤ１とＤＶＤ用半導体レーザＬＤ２を、それらのレーザ構造における接合面がx軸に平行になるように配置しかつ、図１８に示すように、赤外のＣＤ、ＣＤ−Ｒ用半導体レーザＬＤ３をその接合面がx軸に垂直即ちy軸に平行になるように配置すればよい。また、赤外のＣＤ、ＣＤ−Ｒ用半導体レーザＬＤ３だけの光路に波長板を挿入しても、レーザ光の偏光面を傾斜できる。
【００６７】
また、上記の液晶回折光学素子のような電圧制御は不要であるが、開口制限はできないので、青又は赤の光ビーム照射時には有効開口を提供しかつ、赤外の光ビーム照射時には有効開口より小なる有効開口を提供する開口制御手段を備える。開口制御手段として例えば図１８に示すように、ＣＤ−Ｒ用半導体レーザＬＤ３だけの光路に第２のダイクロイックミラー２００を配置すれば比較的容易に実現できる。
【００６８】
これにより、ＤＶＤ及びＨＤ−ＤＶＤ用のコンパチブルプレーヤの構造を極めて簡略化でき、ピックアップの小型化低コスト化が達成される。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、光ピックアップにおける回折光学素子は、赤、青及び赤外の光源を備えかかつ回折格子を含む回折光学素子を備えた光ピックアップにおいて、集光レンズを介して、第１及び第２光ビームについては１次以上の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、第３光ビームについてはゼロ次の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光せしめる断面が鋸歯状又は階段形状の凹凸からなる回折格子を用いるので、対応波長の異なる光ディスク又は記録面に対し記録再生可能な小型化光ピックアップを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の光ピックアップ内部の概略構成図である。
【図２】本発明による光ピックアップにおける回折光学素子の部分切欠斜視図である。
【図３】本発明による光ピックアップにおける回折格子の部分断面図である。
【図４】本発明による光ピックアップにおける回折格子の部分断面図である。
【図５】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける回折光学素子の部分切欠斜視図である。
【図６】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける回折光学素子の部分切欠斜視図である。
【図７】本発明による光ピックアップにおける対物レンズユニットの部分断面図である。
【図８】本発明による光ピックアップにおける対物レンズユニットの部分断面図である。
【図９】対物レンズユニットの青及び赤の１次回折光並びに赤外の０次回折光に対する波面収差の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明による光ピックアップにおける対物レンズユニットの部分断面図である。
【図１１】本発明による光ピックアップにおける対物レンズユニットの部分断面図である。
【図１２】本発明による光ピックアップにおける対物レンズユニットの回折格子の深さと回折効率との関係を示すグラフである。
【図１３】本発明による他の実施形態の光ピックアップ内部の概略構成図である。
【図１４】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける回折光学素子の部分切欠斜視図である。
【図１５】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける回折光学素子の部分断面図である。
【図１６】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける回折光学素子の部分断面図である。
【図１７】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける要部の概略部分斜視図である。
【図１８】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける要部の概略部分斜視図である。
【図１９】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける回折光学素子の概略部分切欠斜視図である。
【図２０】本発明による他の実施形態の光ピックアップにおける回折光学素子の概略部分切欠斜視図である。
【符号の説明】
１光ピックアップ
５光ディスク
１０光軸結合プリズム
１１ダイクロイックミラー合成面
１３偏光ビームスプリッタ
１４コリメータレンズ
１５１／４波長板
１６対物レンズユニット
１６ａ集光レンズ
１６ｂ回折光学素子
１６ｃホルダ
１６ｅ回折格子
２０光検出部受光面
２６アクチュエータ
３０コントローラ
３１エラー検出回路
３３駆動回路
ＬＤ１第１半導体レーザ
ＬＤ２第2半導体レーザ
ＬＤ３第３半導体レーザ

Claims

第１波長を有する第１光ビームを出射する半導体レーザの第１の光源と、第１波長より長い第２波長を有する第２光ビームを出射する半導体レーザの第２の光源と、第２波長より長い第３波長を有する第３光ビームを出射する半導体レーザの第３の光源と、前記第１、第２及び第３光ビームの光路を共通化させる光軸結合素子と、前記第１、第２及び第３光ビームを記録媒体の情報記録面に集光させる集光レンズと、を備えた光ピックアップであって、
前記第１、第２及び第３の光源から前記集光レンズまでの光路中に配置されかつ前記光路の中心に配置された回転対称中心軸を有する回折格子を含む回折光学素子を備え、前記回折格子は、前記集光レンズを介して、前記第１及び第２光ビームについては絶対値が１次以上の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、前記第３光ビームについてはゼロ次の回折光を情報読取光又は情報記録光として集光せしめる断面形状を有すること、
前記回折光学素子は、一対の平行に対向した透光性の平板と、前記平板に挟まれた液晶層と、前記平板の対向する内面にそれぞれ設けられ前記液晶層に電圧を印加する一対の対向電極と、前記平板の一方の前記液晶層に面した前記対向電極上に設けられた前記回折格子と、からなり、
前記一対の対向電極の少なくとも一方は、前記回転対称中心軸に配置された中央透明電極と、前記中央透明電極の周り配置された環状透明電極と、からなり、
前記第１又は第２光ビーム照射時には前記中央透明電極及び前記環状透明電極に同一電圧を印加し、前記第３光ビーム照射時には前記中央透明電極及び前記環状透明電極に異なる電圧を印加する電圧制御手段を備え、
前記第３光ビーム照射時には前記中央透明電極と前記環状透明電極に与える印加電圧を、所定の回折次数に対して前記中央透明電極は最大効率、前記環状透明電極は最小の効率になるように前記電圧制御手段が設定されていることを特徴とする光ピックアップ。
前記回折光学素子は前記光路を共通とする平凹レンズを有していることを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ。
前記回折光学素子は前記平板と一体化された平凹レンズを有し、前記回折格子は前記平凹レンズの平面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ。
前記回折光学素子は前記第１又は第２光ビームに対し凹レンズ作用をなすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載の光ピックアップ。
前記集光レンズは、第１及び第２光ビームの波長範囲で収差が補正されたレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の光ピックアップ。
前記回折格子は、前記集光レンズを介して、前記第１光ビームについては第１回折次数の第１光ビーム回折光を情報読取光又は情報記録光として集光し、前記第２光ビームについては前記第１回折次数より低次の第２回折次数の第２光ビーム回折光を情報読取光又は情報記録光として集光することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の光ピックアップ。
前記第１光ビーム回折光が２次回折光であるとき前記第２光ビーム回折光は１次回折光であることを特徴とする請求項６記載の光ピックアップ。
前記回折格子の断面が鋸歯状又は階段形状の凹凸からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１記載の光ピックアップ。