JP3944919B2 - 二重焦点レンズおよびこれを用いた光ディスク記録再生装置 - Google Patents
二重焦点レンズおよびこれを用いた光ディスク記録再生装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二重焦点レンズに関し、更に詳しくは二重焦点レンズの構成と、この二重焦点レンズを用いた光ディスク記録再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは音声、動画等の記録、コンピュータ等のデータ保存のシステム等への利用が急拡大し、それに伴い、取り扱うデータ量は年々増加の一途を辿り、今後、光ディスクの更なる高密度化、大容量化の要求はますます高まるものと思われる。
【０００３】
光ディスクの高密度化のためには、より波長の短い光源と開口数の高いレンズを使う必要がある。しかし、波長の短い光源と開口数の高いレンズを用いることは光ディスクの傾きによって生じるコマ収差等のノイズ要因は増加することになる。また一方、光ディスクの基板が薄いほど前記コマ収差等のノイズ要因を小さく押さえることができ、これらの観点から、更なる高密度化のために、現在のＣＤ等に用いられている基板厚が１．２ｍｍよりも薄い基板が高密度フォーマットの光ディスクとして用いられることが十分想定されるものである。
【０００４】
そこで、基板厚の薄い光ディスクが導入された場合、従来の基板厚に対応して構成されていた光学ピックアップでは、厚みによって生じる球面収差が異なるため記録再生することは困難である。従って、従来の光ディスクと今後想定される高密度フォーマットの薄い光ディスクを共に記録再生できる、互換性を有した光ディスク記録再生装置の実現が望まれるところである。
【０００５】
これについて、対物レンズの中心部をホログラムとして、０次光と１次回折光でそれぞれ異なったフォーマットの光ディスクを読む方法が報告されている〔ＩＳＯＭ’９５ Ｐｏｓｔ−ｄｅａｄｌｉｎｅ Ｐａｐｅｒ ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ ｐ３８〜３９、第５６回応用物理学会予講集 Ｎｏ３．ｐ９５６〜９５７、ＳＰＩＥ ＶＯＬ．２３３８ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ（１９９４）ｐ２８２〜２８８〕。しかし、ホログラム領域と外周部の位相差によって生じるアポダイゼイションの補正が必要であり、或いはアポダイゼイションの効果でディスクの傾きによりコマ収差が通常以上に発生し、更には製造工程が複雑で高度な精度を要する等の欠点があった。また、この０次光と１次回折光を用いる方式では、光量を分配するために輪帯のピッチや深さを変えて回折効率を設計しなければならず、これは製造上の歩留りの低下要因ともなっていた。
【０００６】
また、製造上の偏芯誤差で対物レンズに偏芯コマ収差が発生するが、その収差を補正するためにレンズ全体をディスクに対して傾けることが一般的に行われてきた。２焦点レンズにおいては、この補正角を２焦点に対して一致させなければならないという問題がある。０次光と１次回折光を用いた対物レンズにおいては、これに対する設計解が発表されているが（第５６回応用物理学会予講集 Ｎｏ３．２９ａ−ＺＡ−８）、未だ、良い対物レンズの設計ができる基準となるものは得られていない。
【０００７】
そこで述べられている解析は次の通りである。
対物レンズのディスクに対する傾きで生じる偏芯コマ収差は、軸外入射によるコマ収差Ｆθと、ディスクとレンズの傾きによるコマ収差Ｄθに分類される。これらは対物レンズの傾き角θに比例する。
レンズが持つ偏芯コマ収差をＬとすれば、補正すべき傾き角θ、即ち補正角θは（３）式で与えられる。
【数３】
【０００８】
二重焦点レンズでは、２つの異なる基板厚みに対応した２つの焦点に対して１つの補正角θでこの条件を同時に満たす必要があり、これが満たされないと十分な補正を行うことができない。基板厚みの異なる２つのディスクの諸量を添字１、２で与えれば偏芯コマ収差の同時補正条件は（４）式で与えられる。
【数４】
ここで、ＦとＬはレンズの設計で決まる関数である。特にレンズの偏芯コマ収差Ｌは偏芯がない場合の球面収差とコマ収差を変数とする関数である。
【０００９】
また、多層構造の光ディスクは、情報量を飛躍的に増大させる有力な手段である。しかし、各層の厚みの違いによって生じる球面収差の量の違いを補正しなければならず、この解決のために幾つかの手段が提案されているが、いずれも複数の光ピックアップが必要であること、また、可動部が必要であること、更には、必要な開口数が確保できない等の問題点があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、厚みが異なる光ディスクに対して互換性を確保した光ディスク記録再生装置を提供することであり、また、多層構造の光ディスクに対して各層の情報記録面に一台で記録再生が可能な光ディスク記録再生装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題に鑑み、なされたものであって、＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を形成すると共に、前記回折型光学素子を対物レンズに近接して配置し、２枚の異なる厚みの基板に対し、それぞれに対して収差補正され、異なる焦点距離の２焦点を有する二重焦点レンズを構成する。また、前記回折型光学素子は２ステップの階段形状の位相ホログラムで構成する。
【００１２】
前記回折型光学素子の外周部位に、回折効率のより高いホログラム領域を同心円状に形成し、回折次数に対して異なる開口数を有する二重焦点レンズを構成する。
【００１３】
また、前記回折型光学素子の外周部位に、屈折型光学素子を同心円状に設け、回折次数に対して異なる開口数を有する二重焦点レンズを構成する。
【００１４】
＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を非球面レンズの入射側もしくは出射側の表面に形成し、異なる焦点距離の２焦点を有する二重焦点レンズを構成する。
【００１５】
物体面を無限遠、第１面を回折型光学素子を非球面上に加工した入射側非球面、第２面を出射側非球面、第３面を入射側基板面、第４面を出射側基板面、第５面を像面とし、
ディスク基板の屈折率がＮＡ、基板厚がｔＡ、開口数がＮＡＡである光ディスクのフォーマットＡと、ディスク基板の屈折率がＮＢ、基板厚がｔＢ、開口数がＮＡＢである光ディスクのフォーマットＢに対して、それぞれのフォーマットでの収差係数と近軸光線との関数として表される第１面と第２面の間に生ずる、請求項４に記載した（１）式で示される偏芯感度IIE の比が、フォーマットで決まる定数の、同項の（２）式で示されるコマ収差係数Ｄの比に対して、８０％以上１２０％以下の値である二重焦点レンズを構成する。
【００１６】
ディスクの厚みが１．２ｍｍ、屈折率が１．５８、開口数が０．４０であるフォーマットの偏芯感度IIE A と、ディスクの厚みが０．６ｍｍ、屈折率が１．５８、開口数が０．６０であるフォーマットの偏芯感度IIE B との比IIE A ／IIE B が、１．３５０以上、２．０２５以下である二重焦点レンズを構成する。
【００１７】
上述した二重焦点レンズの何れか一つを用いて光ディスク記録再生装置を構成して上記課題を解決する。
【００１８】
上述したように、回折次数に対して異なる開口数を有する二重焦点のレンズ系を構成することができ、これを用いることで厚さが異なる光ディスクに記録再生する互換性を有する光ディスク記録再生装置が、また、複数の層の情報記録面を有する光ディスクを記録再生する光ディスク記録再生装置が構成できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の光学的背景について図１ないし図６を参照して説明し、その後、添付した図面を参照して実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は本発明による二重焦点レンズの＋１次回折光の光路図であり、図２は−１次回折光の光路図である。図３は本発明による二重焦点レンズを用いた光ピックアップの構成を示す図であり、図４は二重焦点レンズに用いる回折型光学素子であるホログラムの図である。また、図５は高効率回折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図であり、更に、図６は屈折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図である。
尚、以下において、回折型光学素子はホログラムで構成するものとして説明する。
【００２１】
まず、球面収差について検討する。屈折率Ｎｄの平行平板で発生する球面収差の量はその厚みｔに比例する。この球面収差の縦収差量（ＬＳＡ）は（５）式で与えられる。
【数５】
【００２２】
（５）式から分かるように光ディスク基板の厚みが異なれば、球面収差の量が異なり、これを補正することが必要となる。また、この基板厚の違いにより他の収差も付随的に発生するが、光ディスクの記録再生用対物レンズでは光軸付近の狭い視野内で使用するため、球面収差の除去を行うことが最も重要である。
【００２３】
そこで、まず第一に球面収差をホログラムにより２つの基板厚に対して補正することを考える。平面基盤上に作成された回折型光学素子は数学的には薄肉レンズと等価であり、その３次の波面Ｗは、瞳極座標（ｒ、ｕ）で物体高をｈとすると（６）式で与えられる。
【数６】
【００２４】
ここで、（６）式におけるＳI は（７）式で、ＳIIは（８）式で、ＳIII は（９）式で、ＳIVは（１０）式で、また、ＳV は（１１）式で与えられる。
【数７】
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
Ｈはラグランジェ不変量、ｎはレンズの屈折率、Ｐはレンズのパワー、ｙは近軸周辺光のレンズの光線高である。
また、ＥとＴはレンズの曲率ｃ1 、ｃ2 および近軸光線の入射角ｕ、出射角ｕ’を変数とするベンディングパラメータと共役パラメータであり、Ｅは（１２）式で、また、Ｔは（１３）式で示される。
【数１２】
【数１３】
【００２５】
回転対称であれば、回折型レンズの波面の位相φ（ｒ）は、（１４）式で与えられる。
【数１４】
【００２６】
ここで、レンズのパワーＰはｍ次の回折光に対して、Ｐ＝−２Ａλｍ（λ；波長）で与えられる。４次以上の高次の波面係数も同様に、回折次数と波長に比例する。従って、＋１次と−１次の回折光は、正負を反転させた波面を生じることが分かる。特に、球面収差を縦収差で表すと、屈折率で正規化された近軸像面入射角α、瞳半径Ｒとして（１５）式で与えられる。
【数１５】
【００２７】
つぎに、厚みがａ、ｂの２つの平行平板を考える。それぞれが生じる球面収差は厚みがａの平行平板については（１６）式で、また、厚みがｂの平行平板については（１７）式で与えられる。
【数１６】
【数１７】
【００２８】
これをホログラムの＋１次と−１次で補償するには、ホログラム以外の非球面対物レンズの球面収差を−ｋ（ａ＋ｂ）／２とし、ホログラムの＋１次と−１次の球面収差がそれぞれ−ｋ（ａ−ｂ）／２、および、ｋ（ａ−ｂ）／２であればよい。このときホログラムと非球面対物レンズの球面収差の和が、それぞれ−ｋａ、−ｋｂとなり、厚みａ、ｂの基板によって生じる球面収差ｋａ、ｋｂと打ち消しあうことになる。
【００２９】
この原理を用いると、図１に示すように薄い光ディスク１ａにはホログラム３の＋１次回折光２０を用い、逆に図２に示すように厚い光ディスク１ｂにはホログラム３の−１次回折光２１を用いて球面収差を補正することができる。当然、この逆の回折次数とディスク厚の組み合わせも可能である。
【００３０】
従って、図３に示すように従来と同様の構成をした光学ピックアップ９０の対物レンズに替わって、対物レンズ２とホログラム３とで構成する二重焦点レンズ４を用いることにより、厚みの異なる複数の光ディスクの記録再生をすることが可能となり、厚さの異なる光ディスク間の互換性を採ることができる。また、複数の情報記録層を有する光ディスクであっても、この二重焦点レンズ４を用いることにより一台の装置で記録再生が可能となる。
【００３１】
例えば、基板厚が０．６ｍｍと１．２ｍｍの２種類の光ディスクに対しては、対物レンズ２を（０．６＋１．２）／２＝０．９ｍｍの基板厚に対して設計し、ホログラム３の＋１次回折光２０、および−１次回折光２１で±０．３ｍｍの基板厚に相当する球面収差を発生させればよい。
【００３２】
平行平板によって生じる球面収差は、横収差係数としては３次の範囲で（１５）式、（１６）式、（１７）式より、（１８）式で与えられる。
【数１８】
ホログラムの球面収差量が、この符号を反転させた値であれば、球面収差は補正される。しかし、もし、ホログラムの球面収差を上の値になるようにパワーを与えると、（７）式、（８）式、（９）式、（１０）式、および（１１）式から分かるように、他の収差が付随的に発生することになる。
【００３３】
このうち、（８）式で示されるコマ収差（ＳII）はパワーＰの二乗に比例するので、この値は＋１次回折光２０と−１次回折光２１とで等しい。また、非球面レンズの入射側面のコマ収差量は、非球面レンズの出射側面のコマ収差量を用いて、補正することができる。
【００３４】
他に、球面収差を補正するには、パワーだけでなく（１４）式の４次のホログラムの非球面係数Ｇを用いる方法が簡単で効果的である。ホログラムの４次の非球面係数は（１９）式で与えられる。（１９）式は（６）式と（１４）式のｒ4 の係数を比べ、（１８）式を代入して得ることができる。
【数１９】
【００３５】
この条件に合致させることにより、球面収差は３次の範囲で完全に補正することができる。しかも、ホログラムがパワーを持っていたとしても、そのパワーによって生じる球面収差は、この４次の非球面係数Ｇと同じ符号であるから、それを含めた補正が可能である。上述したようにコマ収差についても非球面レンズの出射側面において十分な補正ができる。更に、他の収差についても、ホログラムの高次非球面係数と非球面レンズの非球面係数を変数として、レンズ設計プログラムの自動設計により、容易に最適化が可能である。
【００３６】
ここで、この位相ホログラムを階段のような矩形位相形状、即ち、２ステップのバイナリーオプティクスとして設計すれば、±１次回折光は４１％づつの回折効率を持つ。つまり、どちらの次数の回折光に対しても同じ光量が効率よく得られるという利点がある。これは、曲率の正負を反転させた凹レンズと凸レンズを２ステップのバイナリーレンズとしてみれば、同じものとなることからも明らかである。
【００３７】
これに対して、従来の０次光と１次回折光を用いる方式では、光量を分配するために輪帯のピッチや深さを変えて回折効率を設計しなければならない。これは製造上の厳しい条件となるもので、歩留り低下の大きな要因になる。
【００３８】
実際に光ディスクの対物レンズとして使うには、２つの焦点を適当な距離に分離する必要がある。これは、２つの焦点間の干渉の回避や、フォーカス信号とトラッキング信号のクロストークを避けるためである。この分離が十分でなければ、他方の光がバックグラウンドとして加わり、システムの成立が困難になる。そのためにホログラムは弱いパワーを持つ必要がある。
【００３９】
つぎに、対物レンズの開口数について検討する。光ディスクのシステムにおいては、対物レンズの開口数はシステム全体において重要な意味を持つものである。即ち、開口数が高くなれば、それに反比例してスポットサイズは小さくなり、記録密度を高くすることができるが、光ディスクの基板厚や傾き等に対する許容幅が狭まり、記録再生のための余裕が確保できなくなる。
【００４０】
このため、それぞれのシステムにおいて最適な開口数を独自に有しており、そのため、低い開口数で設計された光ディスクを高い開口数の光学系で読む場合は、何らかの手段を用いて開口数を制限する必要がある。これには電気的、機械的な手段が種々考えられるが、特別な機構を必要とする手段では、装置が複雑になり、コスト上昇の要因となっていた。
【００４１】
開口数に関する上述した問題の解決手段として、ホログラムの回折効率を部分的に変えることが考えられる。図４はこれに対応したホログラムの模式図であって、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は断面側面図である。低ＮＡ領域１５では、階段状の２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとし、±１次に光を回折させる。また、高ＮＡ領域１６では、２ステップ以上の位相ホログラム（例えば４ステップ、８ステップ、・・・、究極的にはブレーズド形状の回折型光学素子）を形成し、または通常の屈折型レンズを用いて＋１次回折光（もしくはそれと同様の波面を持つ屈折光）を増加させる。これによって、図５および図６に示すように低いＮＡレンズとしての瞳領域１７と高いＮＡレンズとしての瞳領域１８とが形成され、開口数を制限することになる。
【００４２】
つぎに、ホログラムを非球面対物レンズの入射面上に形成する二重焦点レンズの設計について説明する。
前述したように、対物レンズのディスクに対する傾きで生じる偏芯コマ収差は、軸外入射によるコマ収差Ｆθと、ディスクとレンズの傾きによるコマ収差Ｄθに分類される。これらは対物レンズの傾き角θに比例する。
レンズが持つ偏芯コマ収差をＬとすれば、補正すべき傾き角θ、即ち補正角θは前述したように（３）式で与えられる。
【数２０】
【００４３】
また、二重焦点レンズでは、２つの異なる基板厚みに対応した２つの焦点に対して１つの補正角θでこの条件を同時に満たす必要があり、これが満たされないと十分な補正を行うことができない。基板厚みの異なる２つのディスクの諸量を添字１、２で与えれば偏芯コマ収差の同時補正条件は（４）式で与えられる。
【数２１】
ここで、ＦとＬはレンズの設計で決まる関数である。特にレンズの偏芯コマ収差Ｌは偏芯がない場合の球面収差とコマ収差を変数とする関数である。
【００４４】
（４）式の両辺の分母はＦとＤの２項からなるが、最終的な解では偏芯がない場合のコマ収差は十分に完全に補正されていなければならず、従ってＤ≫Ｆであることが必要である。よって、同時補正の近似条件は、Ｌ1 ／Ｄ1 ＝Ｌ2 ／Ｄ2 で十分精度のよい近似ができる。実際に設計例でＦとＤを計算すると、ＦはＤの１／１０以下である。
【００４５】
屈折率Ｎ、厚みｔのディスク基板と開口数ＮＡのレンズの傾きθによるコマ収差Ｄθは、３次収差の範囲で（２０）式で与えられることが知られている。
【数２２】
従って、光ディスクのフォーマットＡの屈折率をＮA 、基板厚をｔA 、開口数をＮＡA とし、またフォーマットＢの屈折率をＮB 、基板厚をｔB 、開口数をＮＡB とした場合、レンズの傾きによるコマ収差係数をそれぞれをＤA 、ＤB とすると、その比ＤA ／ＤB は定数となる。
【００４６】
ここで、（２０）式を変形して（２１）式の関係を得る。
【数２３】
例えば、基板厚が０．６ｍｍと１．２ｍｍであって、屈折率が共に１．５７９６５の２種類の光ディスクを、それぞれＮＡが０．６０と０．５２の対物レンズを使い再生しようとする場合、（２１）式の右辺は０．７６８１となる。また、ＮＡが０．６０と０．４０の対物レンズを用いる場合は、（２１）式の右辺は１．６８７５となる。ここでは、３次収差の範囲を考えたが、実際には更に高次の５次以上のコマ収差が、波面収差で３次収差の１５〜２０％程存在する。
【００４７】
一方、第ν面の偏芯Ｅνにより生じるコマ収差は、（２２）式で与えられる（「偏芯の存在する光学系の３次の収差論」松居吉哉著、日本オプトメカトロニクス協会）。
【数２４】
ここで、
ΔＹ′：像面の横収差
Ｙ′：像高
β ：横倍率
Ｙ ：物体高
α′：物体近軸光線の像面への入射角
Ｒ ：物体平面上に換算した入射瞳半径
φ ：入射瞳でのアジマス角
Ｎ ：物体の屈折率
ω ：物点と物体側主点を結ぶ直線が基準軸となす角度
IIμ ：第μ面コマ収差係数
Ｅν：第ν面の偏芯量
IIＥν：第ν面の偏芯コマ係数
【００４８】
第ν面の偏芯コマ係数IIＥνは、一般に（２３）式で与えられる。
【数２５】
ここで、
αν ：近軸輪帯光線第ν面入射角
αν′：近軸輪帯光線第ν面出射角
αν ：近軸主光線第ν面入射角
αν′：近軸主光線第ν面出射角
Iμ ：第μ面球面収差係数
IIμ ：第μ面コマ収差係数
【００４９】
従って、±１次回折光を用いたホログラムを非球面対物レンズの入射面上に作成して一体化したレンズについて、
物体面：無限遠
第一面：ホログラムを非球面上に加工した入射側非球面
第二面：出射側非球面
第三面：入射側基板面
第四面：出射側基板面
第五面：像面
とし、前記フォーマットＡとフォーマットＢに対して、それぞれのフォーマットでの収差係数と近軸光線の関数として表される偏芯感度の比が、フォーマットで決まる定数のコマ収差係数の比と等しいか、或いは５次コマ収差の影響を考えて、少なくとも２０％の範囲以内で一致すれば、十分なコマ収差補正を行うことができ、従って、（２４）式を得る。
【数２６】
【００５０】
（２４）式の左辺はレンズ設計プログラムで自動設計の条件として与えることができるため、この条件を満たす設計解を容易に得ることができる。また、実際の設計においては自動設計による最適化が一般的に行われていて、球面収差、非点収差、更に高次の収差などを含めた像面の最適化が行える。
【００５１】
以上、ホログラムと非球面対物レンズとを一体化したタイプについて、その偏芯感度の設計について説明した。ホログラムと非球面対物レンズとを個々に作成した場合、ホログラム面とレンズの２つの非球面の合計３面の偏芯が問題となり、より複雑な設計が必要となる。
【００５２】
上述したような二重焦点レンズを光ディスクの記録再生装置に用いることで、基板の厚みと対物レンズの開口数が異なる複数のフォーマットで形成された光ディスクの互換性を確保することが可能となる。
また、同様に多層構造の光ディスクの各層のディスク表面からの距離の違いによって生じる球面収差の量の違いを、前記二重焦点レンズを光ディスクの記録再生装置に用いて、各層の記録再生を可能とすることも容易に理解できる。
【００５３】
実施の形態例
つぎに、上述した技術的背景に基づき、本発明の具体的構成について添付した図面を参照して説明する。
【００５４】
図１は本発明の対物レンズ２とホログラム３とで構成する二重焦点レンズ４が、厚みの小さい光ディスク１ａに対応している状態を示している。レーザ光１９はホログラム３による＋１次回折光２０を対物レンズ２を通して光ディスク１ａの情報記録面１２に集光し、情報の記録再生を行う。また、図２は前記二重焦点レンズ４が、厚みの大きな光ディスク１ｂに対応している状態を示している。レーザ光１９はホログラム３による−１次回折光２１を対物レンズ２を通して光ディスク１ｂの情報記録面１２に集光し、情報の記録再生を行うものである。
【００５５】
図３は本発明の対物レンズ２とホログラム３を分離した構成の二重焦点レンズ４を用いて光ピックアップ９０を構成した一例であって、半導体レーザ５、ビームスプリッタ６、コリメータ７、対物レンズ２とホログラム３とで構成する二重焦点レンズ４、凹レンズ８および受光素子９を含んで構成されている。
【００５６】
半導体レーザ５から出射されたレーザ光１９はビームスプリッタ６の表面で反射し、コリメータ７で平行光に変換されてホログラム３に入射する。ホログラム３では上述したように＋１次回折光２０と−１次回折光２１を生成し、対物レンズ２によって光ディスク１の情報記録面１２に集光される。図３においては光ディスク１は第一層１０と第二層１１の二層構成としているが、第一層１０の厚みを有する第一の光ディスクと第一層１０と第二層１１を加えた厚みを有する第二の光ディスクとしてもよいことは当然である。
【００５７】
ホログラム３で回折された＋１次回折光２０は第一層１０の情報記録面１２に、また、−１次回折光２１は第二層１１の情報記録面１２にそれぞれ集光される。情報記録面１２からの反射光は対物レンズ２、ホログラム３、コリメータ７およびビームスプリッタ６を通って、凹レンズ８を介して受光素子９上に集光され、記録情報の再生を行う。
【００５８】
図４は本発明に用いるホログラム３の形状の例を示し、同心円状のパターンからなっていて、中央部は階段状の２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとして±１次に光を回折させる低ＮＡ領域１５を構成し、また、周縁部は２ステップ以上の位相ホログラムとして＋１次回折光を増加させる高ＮＡ領域１６を構成している。
【００５９】
図５は図４に示すホログラム３の高ＮＡ領域１６を回折効率のより高い高効率回折型光学素子（ホログラム）２４で構成した二重焦点レンズ４であって、光ディスク１の第一層１０および第二層１１のそれぞれの情報記録面１２に集光することを示す。
また、図６は前記高ＮＡ領域１６を屈折型光学素子２５を用いて構成した二重焦点レンズ４であって、光ディスク１の第一層１０および第二層１１のそれぞれの情報記録面１２に集光することを示す。
【００６０】
つぎに、二重焦点レンズ４の具体的な設計例とその特性について図７ないし図３０を参照して説明する。図７ないし図１４は実施形態例１−１のホログラム３を対物レンズ２の前側（光源側）に置いた二重焦点レンズ４について説明するための図であり、図１５ないし図２２は実施形態例１−２のホログラム３を対物レンズ２の後側（光ディスク側）に置いた二重焦点レンズ４について説明するための図であり、また、図２３ないし図３０は実施形態例１−３のホログラムを対物レンズ２に一体として形成した二重焦点レンズ４について説明するための図である。尚、図中におけるレンズ等の各特性は波長が６３５ｎｍの光に対するものである。
レンズ形状については、光学設計ソフトウエア「ＣＯＤＥ−Ｖ」に従って定義する。
【００６１】
非球面形状は一般に、（２５）式で表される。
【数２７】
ここで、
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
ｃ：非球面頂点の曲率（＝１／Ｒ）
ｋ：円錐定数
Ａ：第４次の非球面係数
Ｂ：第６次の非球面係数
Ｃ：第８次の非球面係数
Ｄ：第１０次の非球面係数
である。
【００６２】
また、本発明に関するバイナリー型のレリーフ型ホログラムは、製造時の２つの光源を無限遠にあるとしたときの非球面的位相ずれの係数として、ホログラム基板上の極座標多項式により形状指定がなされる。ここで、多項式の係数は、製造波長での光路差（ＯＰＤ）をｍｍ単位で与えるものであり、この光路差（ＯＰＤ）は（２６）式で表される。
【数２８】
【００６３】
実施形態例１−１
図７ないし図１４を参照して実施形態例１−１について説明する。本実施形態例はホログラムを対物レンズ２の前側（光源側）に置いた二重焦点レンズ４であって、厚さ＝０．６ｍｍの基板とＮＡ＝０．６０の対物レンズを用いる第一のフォーマットの光ディスク１ａと、厚さ＝１．２ｍｍの基板とＮＡ＝０．５２の対物レンズを用いる第二のフォーマットの光ディスク１ｂを、波長６３５ｎｍの半導体レーザで記録再生をするものである。第一のフォーマットと第二のフォーマットに対応する光学系は自動設計させる。
【００６４】
それには、対物レンズ２を（０．６＋１．２）／２＝０．９ｍｍの基板厚に対して設計し、ホログラム３で±０．３ｍｍの基板厚に相当する球面収差を発生させればよい。球面収差は４次の波面であり、適当な４次の非球面係数を与えれば略球面収差は補正できる。しかしながら、これだけでは非球面対物レンズ中での光路が変わってしまうため、その補正のために更に高次の項を利用して補正を行う必要がある。
【００６５】
本実施形態例１−１の設計データを表１に示す。
【表１】
【００６６】
図７はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図であり、また、図８はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図である。
【００６７】
図９はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示し、また、図１０はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【００６８】
図１１はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものであり、また、図１２はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【００６９】
図１３はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦであり、また、図１４はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦである。
【００７０】
上記、図９、図１０の収差特性、図１１、図１２の横収差特性、および図１３、図１４のＭＴＦ特性から、本設計による二重焦点レンズ４の特性は光ディスクシステムに用いて好適であって、これを記録再生装置に搭載することにより、フォーマットの異なる２つの光ディスクの互換性を確保できることが分かる。
【００７１】
実施形態例１−２
図１５ないし図２２を参照して実施形態例１−２について説明する。本実施形態例はホログラムを対物レンズ２の後側（光ディスク側）に置いた二重焦点レンズ４であって、厚さ＝０．６ｍｍの基板とＮＡ＝０．６０の対物レンズを用いる第一のフォーマットの光ディスク１ａと、厚さ＝１．２ｍｍの基板とＮＡ＝０．４０の対物レンズを用いる第二のフォーマットの光ディスク１ｂを、波長６３５ｎｍの半導体レーザで記録再生をするものである。
【００７２】
本例ではホログラム３の基板が平行平板として収束光中に加わる。しかし、対物レンズ２中の光路はホログラム３によって影響されないので、設計を完全に分離して行える利点がある。
【００７３】
対物レンズ２は次のように平行平板厚に対して設計する。第一のフォーマットの基板厚と屈折率をａ、ｎ1 とし、第二のフォーマットの基板厚と屈折率をｂ、ｎ2 とし、ホログラム３の基板厚と屈折率をｃ、ｎ3 とすれば、ｎ3 ｃ＋（ｎ1 ａ＋ｎ2 ｂ）／２の基板厚に対して対物レンズ２を設計する。この対物レンズ２を出発点として、ホログラム３では、±（ｎ1 ａ−ｎ2 ｂ）／２の基板厚に相当する球面収差の補正を行う。
【００７４】
本実施形態例１−２の設計データを表２に示す。
【表２】
【００７５】
図１５はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図であり、また、図１６はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図である。
【００７６】
図１７はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示し、また、図１８はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【００７７】
図１９はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものであり、また、図２０はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【００７８】
図２１はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦであり、また、図２２はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦである。
【００７９】
上記、図１７、図１８の収差特性、図１９、図２０の横収差特性、および図２１、図２２のＭＴＦ特性から、本設計による二重焦点レンズ４の特性は光ディスクシステムに用いて好適であって、これを記録再生装置に搭載することにより、フォーマットの異なる２つの光ディスクの互換性を確保できることが分かる。
【００８０】
実施形態例１ ３
図２３ないし図３０を参照して実施形態例１−３について説明する。
現在、光ピックアップ用対物レンズは、金型を用いたモールディングによって作成されている。金型の加工はコンピュータ制御による切削加工なので、ホログラムを位相ホログラムとして、この金型で非球面レンズと一体化して作ることが可能である。本発明の原理を用いた二重焦点レンズも、同様の方法で作ることが可能であり、一体化することで、組立が不要になり、ホログラムと非球面対物レンズの偏芯誤差を取り除くことができると共に、低コストで大量生産することが可能となる。
【００８１】
本実施形態例はホログラムを対物レンズ２と一体に形成するもので、厚さ＝０．６ｍｍの基板とＮＡ＝０．６０の対物レンズを用いる第一のフォーマットの光ディスク１ａと、厚さ＝１．２ｍｍの基板とＮＡ＝０．４０の対物レンズを用いる第二のフォーマットの光ディスク１ｂを、波長６３５ｎｍの半導体レーザで記録再生をするものである。
【００８２】
本実施形態例１−３の設計データを表３に示す。
【表３】
【００８３】
図２３はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図であり、また、図２４はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図である。
【００８４】
図２５はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示し、また、図２６はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【００８５】
図２７はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものであり、また、図２８はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【００８６】
図２９はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦであり、また、図３０はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦである。
【００８７】
上記、図２５、図２６の収差特性、図２７、図２８の横収差特性、および図２９、図３０のＭＴＦ特性から、本設計による二重焦点レンズ４の特性は光ディスクシステムに用いて好適であって、これを記録再生装置に搭載することにより、フォーマットの異なる２つの光ディスクの互換性を確保できることが分かる。
【００８８】
実施形態例２
つぎに、上述した３つの実施形態例の開口を制限する方法について説明する。
【００８９】
形態例２ １
図４および図５を参照して、図４に示す周辺の高ＮＡ領域１６を高効率回折型光学素子２４で置き換えたホログラム３ａを用いた構成について説明する。
図４の低ＮＡ領域１５では２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとし、±１次回折光２０、２１を生成する。その外側の高ＮＡ領域１６では、より高い回折効率の位相ホログラム（４ステップ、８ステップ、・・・、ブレーズド形状などの回折型光学素子）によって＋１次回折光２０を増加させる。これによって高ＮＡ領域１６では−１次の回折効率が著しく低いため、−１次回折光２１に対しては実効的に開口数が下がり、開口数が制限されるものである。
【００９０】
形態例２ ２
つぎに、図４および図６を参照して、図４に示す周辺の高ＮＡ領域１６を屈折型光学素子２５で置き換えたホログラム３ｂを用いた構成について説明する。
本例は図６に示すように、低ＮＡ領域１５では２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとし、±１次回折光２０、２１を生成する。その外側の高ＮＡ領域１６では、屈折型光学素子２５により屈折型レンズを構成して、例えば＋１次回折光２０と同様の波面を持つ屈折光２３のみを得るようにする。これによって高ＮＡ領域１６では−１次の回折効率が著しく低いため、−１次回折光２１に対しては実効的に開口数が下がり、開口数が制限されるものである。
【００９１】
従って上述した実施形態例２ １および実施形態例２ ２の手段によって、厚みの異なる光ディスクのそれぞれに合致した開口数を得ることができる。
【００９２】
更に、上述した構成に加えて幾つかの変形例が考えられる。
まず第一は、位相ホログラムは表面のレリーフであるから、光ピックアップを構成する他の光学部品、例えば回折格子や波長板等の表面に一体化して作成してもよい。この方法により部品点数の低減、小型化を図ることができる。
【００９３】
第２は、ホログラム３を図３に示す光学系のビームスプリッタ５の半導体レーザ４側に配置し、光ディスク１への往路のみで、レーザ光１９はホログラム３を通過するように配置する。これによって復路での回折が生じなくなり、実質的な光の利用効率が上がることになる。
【００９４】
第３は、光ディスクの傾きによって生じるコマ収差を補正するために、正負の４次の非球面を作動させることによって補償を行う方法である。また、コリメータレンズを僅かに傾けることで同様の効果が得られ、この方法と本発明とを組み合わせることで外乱による摂動に対して安定な光ピックアップを構成することが可能となる。
【００９５】
以上説明した二重焦点レンズを用いた光ピックアップを光ディスク記録再生装置に搭載することにより、ディスク基板の厚みの異なる光ディスクのフォーマットの互換性をこの光ディスク記録再生装置によって確保することができる。
【００９６】
また、多層構造の光ディスクも同様のホログラムによるレンズを用いた光ピックアップを光ディスク記録再生装置に搭載することにより、この光ディスク記録再生装置一台で全ての情報面に記録再生することができる。これは多層構造のそれぞれの層を基板厚の異なる光ディスクと考えればよく、更に、２層以上の構造については、ホログラムの高次の回折光を使うことにより一台での記録再生が可能となる。
【００９７】
また、収差特性と回折効率から本発明による±１次回折光を用いる方式は従来の０次光と１次回折光を用いる方法に比して、同等もしくはそれ以上の特性を有し、更に、±１次回折光を用いる方式は従来の方法に比べて表４に示すような製造上の利点がある。
【表４】
【００９８】
つぎに、上述した二重焦点レンズを搭載した光ディスク記録再生装置の一例にについて図３１を参照して説明する。光ディスク記録再生装置１００はレーザ光源ユニット３１と、移動部３２と、マグネット３６等で構成される移動部３２を駆動する機構と、光ディスクを回転するスピンドルモータ４２とを主要な要素として構成されている。
【００９９】
レーザ光源ユニット３１は半導体レーザ、レーザ変調回路、コリメートレンズ、ビームスプリッター、受光素子、プリアンプ（以上図示せず）等を内蔵していて、光ディスク基板１上に信号を記録再生するためのレーザ光４３を発生し、また、光ディスク基板１から反射してきた光を受光し復調する。レーザ光源ユニット３１は光ディスク記録再生装置１００の一方の外側板４１に固定されていて、外側板１４に設けた孔を通してレーザ光４３を、二重焦点レンズ４を搭載した移動部３２に向けて出射する。移動部３２の内部にはレーザ光４３を光ディスク基板１の方向に曲げる光学部材（図示せず）が設けられていて、二重焦点レンズ４を通して光ディスク基板１上に集光される。
【０１００】
移動部３２は２本の平行な軸３９に軸受４０を介してＬ方向に移動自在に保持され、移動台３３の両端部にボビン３７が固定されていて、ボビン３７にコイル３８が巻回されている。更に、コイル３８と組み合わされて、リニアモータを構成するようにヨーク３４とヨーク３５、およびヨーク３４とヨーク３５の間にマグネット３６が配置されていて、ボビン３７の中心空洞部をヨーク３５が非接触状態で貫通し、従って、可動部はコイル３８とマグネット３６との間の電磁力によってＬ方向に移動制御される。
【０１０１】
尚、上述した光ディスク記録再生装置１００に限ることなく、光ディスクを記録再生するための他の構成の装置に本発明の二重焦点レンズを用いて効果が大きいことは当然である。
【０１０２】
また、主に二重の焦点を有するレンズ系について述べてきたが、説明した技術的手段によって多重の焦点を有するレンズ系を構成してもよいことは論を待たない。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明は、対物レンズにホログラムを加え、＋１次と−１次の回折光を用いて２つの焦点を作ること、および、その一部を回折効率のより高いホログラムや通常のレンズ等で置き換えることで、それぞれの回折次数に対して異なる開口数を得ることができ、従ってこの二重焦点レンズを光ディスク記録再生装置に用いてフォーマットの互換性を実現する。また、多層構造の光ディスクを一台の光ディスク記録再生装置で記録再生することができる。
【０１０４】
適合されて形成された１枚のホログラムにより、異なった開口数を与えるフォーマットの互換性を実現し、更に、収差については同等以上、レンズとしてのパワーは半分にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による二重焦点レンズの＋１次回折光の光路図である。
【図２】 本発明による二重焦点レンズの−１次回折光の光路図である。
【図３】 本発明による二重焦点レンズを用いた光ピックアップの構成を示す図である。
【図４】 二重焦点レンズに用いるホログラムの図である。
【図５】 高効率回折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図である。
【図６】 屈折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図である。
【図７】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの光路図である。
【図８】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの光路図である。
【図９】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１０】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１１】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図１２】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図１３】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図１４】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図１５】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの光路図である。
【図１６】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの光路図である。
【図１７】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１８】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１９】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２０】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２１】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図２２】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図２３】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの光路図である。
【図２４】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの光路図である。
【図２５】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図２６】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図２７】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２８】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２９】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図３０】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図３１】 本発明の二重焦点レンズを用いた光ディスク記録再生装置の概略斜視図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ 光ディスク
２ 対物レンズ
３、３ａ、３ｂ ホログラム
４ 二重焦点レンズ
５ 半導体レーザ
６ ビームスピリッタ
７ コリメータ
８ 凹レンズ
９ 受光素子
１０ 第一層
１１ 第二層
１２ 情報記録面
１５ 低ＮＡ領域
１６ 高ＮＡ領域
１７ 低ＮＡレンズとしての瞳領域
１８ 高ＮＡレンズとしての瞳領域
１９ レーザ光
２０ ＋１次回折光
２１ −１次回折光
２２ 回折光
２３ 屈折光
２４ 高効率回折型光学素子
２５ 屈折型光学素子
３１ レーザ光源ユニット
３２ 移動部
３３ 移動台
３４、３５ ヨーク
３６ マグネット
３７ ボビン
３８ コイル
３９ 軸
４０ 軸受け
４１ 外側板
４２ スピンドルモータ
４３ レーザ光
【発明の属する技術分野】
本発明は二重焦点レンズに関し、更に詳しくは二重焦点レンズの構成と、この二重焦点レンズを用いた光ディスク記録再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクは音声、動画等の記録、コンピュータ等のデータ保存のシステム等への利用が急拡大し、それに伴い、取り扱うデータ量は年々増加の一途を辿り、今後、光ディスクの更なる高密度化、大容量化の要求はますます高まるものと思われる。
【０００３】
光ディスクの高密度化のためには、より波長の短い光源と開口数の高いレンズを使う必要がある。しかし、波長の短い光源と開口数の高いレンズを用いることは光ディスクの傾きによって生じるコマ収差等のノイズ要因は増加することになる。また一方、光ディスクの基板が薄いほど前記コマ収差等のノイズ要因を小さく押さえることができ、これらの観点から、更なる高密度化のために、現在のＣＤ等に用いられている基板厚が１．２ｍｍよりも薄い基板が高密度フォーマットの光ディスクとして用いられることが十分想定されるものである。
【０００４】
そこで、基板厚の薄い光ディスクが導入された場合、従来の基板厚に対応して構成されていた光学ピックアップでは、厚みによって生じる球面収差が異なるため記録再生することは困難である。従って、従来の光ディスクと今後想定される高密度フォーマットの薄い光ディスクを共に記録再生できる、互換性を有した光ディスク記録再生装置の実現が望まれるところである。
【０００５】
これについて、対物レンズの中心部をホログラムとして、０次光と１次回折光でそれぞれ異なったフォーマットの光ディスクを読む方法が報告されている〔ＩＳＯＭ’９５ Ｐｏｓｔ−ｄｅａｄｌｉｎｅ Ｐａｐｅｒ ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ ｐ３８〜３９、第５６回応用物理学会予講集 Ｎｏ３．ｐ９５６〜９５７、ＳＰＩＥ ＶＯＬ．２３３８ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ（１９９４）ｐ２８２〜２８８〕。しかし、ホログラム領域と外周部の位相差によって生じるアポダイゼイションの補正が必要であり、或いはアポダイゼイションの効果でディスクの傾きによりコマ収差が通常以上に発生し、更には製造工程が複雑で高度な精度を要する等の欠点があった。また、この０次光と１次回折光を用いる方式では、光量を分配するために輪帯のピッチや深さを変えて回折効率を設計しなければならず、これは製造上の歩留りの低下要因ともなっていた。
【０００６】
また、製造上の偏芯誤差で対物レンズに偏芯コマ収差が発生するが、その収差を補正するためにレンズ全体をディスクに対して傾けることが一般的に行われてきた。２焦点レンズにおいては、この補正角を２焦点に対して一致させなければならないという問題がある。０次光と１次回折光を用いた対物レンズにおいては、これに対する設計解が発表されているが（第５６回応用物理学会予講集 Ｎｏ３．２９ａ−ＺＡ−８）、未だ、良い対物レンズの設計ができる基準となるものは得られていない。
【０００７】
そこで述べられている解析は次の通りである。
対物レンズのディスクに対する傾きで生じる偏芯コマ収差は、軸外入射によるコマ収差Ｆθと、ディスクとレンズの傾きによるコマ収差Ｄθに分類される。これらは対物レンズの傾き角θに比例する。
レンズが持つ偏芯コマ収差をＬとすれば、補正すべき傾き角θ、即ち補正角θは（３）式で与えられる。
【数３】
二重焦点レンズでは、２つの異なる基板厚みに対応した２つの焦点に対して１つの補正角θでこの条件を同時に満たす必要があり、これが満たされないと十分な補正を行うことができない。基板厚みの異なる２つのディスクの諸量を添字１、２で与えれば偏芯コマ収差の同時補正条件は（４）式で与えられる。
【数４】
【０００９】
また、多層構造の光ディスクは、情報量を飛躍的に増大させる有力な手段である。しかし、各層の厚みの違いによって生じる球面収差の量の違いを補正しなければならず、この解決のために幾つかの手段が提案されているが、いずれも複数の光ピックアップが必要であること、また、可動部が必要であること、更には、必要な開口数が確保できない等の問題点があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、厚みが異なる光ディスクに対して互換性を確保した光ディスク記録再生装置を提供することであり、また、多層構造の光ディスクに対して各層の情報記録面に一台で記録再生が可能な光ディスク記録再生装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題に鑑み、なされたものであって、＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を形成すると共に、前記回折型光学素子を対物レンズに近接して配置し、２枚の異なる厚みの基板に対し、それぞれに対して収差補正され、異なる焦点距離の２焦点を有する二重焦点レンズを構成する。また、前記回折型光学素子は２ステップの階段形状の位相ホログラムで構成する。
【００１２】
前記回折型光学素子の外周部位に、回折効率のより高いホログラム領域を同心円状に形成し、回折次数に対して異なる開口数を有する二重焦点レンズを構成する。
【００１３】
また、前記回折型光学素子の外周部位に、屈折型光学素子を同心円状に設け、回折次数に対して異なる開口数を有する二重焦点レンズを構成する。
【００１４】
＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を非球面レンズの入射側もしくは出射側の表面に形成し、異なる焦点距離の２焦点を有する二重焦点レンズを構成する。
【００１５】
物体面を無限遠、第１面を回折型光学素子を非球面上に加工した入射側非球面、第２面を出射側非球面、第３面を入射側基板面、第４面を出射側基板面、第５面を像面とし、
ディスク基板の屈折率がＮＡ、基板厚がｔＡ、開口数がＮＡＡである光ディスクのフォーマットＡと、ディスク基板の屈折率がＮＢ、基板厚がｔＢ、開口数がＮＡＢである光ディスクのフォーマットＢに対して、それぞれのフォーマットでの収差係数と近軸光線との関数として表される第１面と第２面の間に生ずる、請求項４に記載した（１）式で示される偏芯感度IIE の比が、フォーマットで決まる定数の、同項の（２）式で示されるコマ収差係数Ｄの比に対して、８０％以上１２０％以下の値である二重焦点レンズを構成する。
【００１６】
ディスクの厚みが１．２ｍｍ、屈折率が１．５８、開口数が０．４０であるフォーマットの偏芯感度IIE A と、ディスクの厚みが０．６ｍｍ、屈折率が１．５８、開口数が０．６０であるフォーマットの偏芯感度IIE B との比IIE A ／IIE B が、１．３５０以上、２．０２５以下である二重焦点レンズを構成する。
【００１７】
上述した二重焦点レンズの何れか一つを用いて光ディスク記録再生装置を構成して上記課題を解決する。
【００１８】
上述したように、回折次数に対して異なる開口数を有する二重焦点のレンズ系を構成することができ、これを用いることで厚さが異なる光ディスクに記録再生する互換性を有する光ディスク記録再生装置が、また、複数の層の情報記録面を有する光ディスクを記録再生する光ディスク記録再生装置が構成できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の光学的背景について図１ないし図６を参照して説明し、その後、添付した図面を参照して実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は本発明による二重焦点レンズの＋１次回折光の光路図であり、図２は−１次回折光の光路図である。図３は本発明による二重焦点レンズを用いた光ピックアップの構成を示す図であり、図４は二重焦点レンズに用いる回折型光学素子であるホログラムの図である。また、図５は高効率回折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図であり、更に、図６は屈折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図である。
尚、以下において、回折型光学素子はホログラムで構成するものとして説明する。
【００２１】
まず、球面収差について検討する。屈折率Ｎｄの平行平板で発生する球面収差の量はその厚みｔに比例する。この球面収差の縦収差量（ＬＳＡ）は（５）式で与えられる。
【数５】
（５）式から分かるように光ディスク基板の厚みが異なれば、球面収差の量が異なり、これを補正することが必要となる。また、この基板厚の違いにより他の収差も付随的に発生するが、光ディスクの記録再生用対物レンズでは光軸付近の狭い視野内で使用するため、球面収差の除去を行うことが最も重要である。
【００２３】
そこで、まず第一に球面収差をホログラムにより２つの基板厚に対して補正することを考える。平面基盤上に作成された回折型光学素子は数学的には薄肉レンズと等価であり、その３次の波面Ｗは、瞳極座標（ｒ、ｕ）で物体高をｈとすると（６）式で与えられる。
【数６】
ここで、（６）式におけるＳI は（７）式で、ＳIIは（８）式で、ＳIII は（９）式で、ＳIVは（１０）式で、また、ＳV は（１１）式で与えられる。
【数７】
また、ＥとＴはレンズの曲率ｃ1 、ｃ2 および近軸光線の入射角ｕ、出射角ｕ’を変数とするベンディングパラメータと共役パラメータであり、Ｅは（１２）式で、また、Ｔは（１３）式で示される。
【数１２】
回転対称であれば、回折型レンズの波面の位相φ（ｒ）は、（１４）式で与えられる。
【数１４】
ここで、レンズのパワーＰはｍ次の回折光に対して、Ｐ＝−２Ａλｍ（λ；波長）で与えられる。４次以上の高次の波面係数も同様に、回折次数と波長に比例する。従って、＋１次と−１次の回折光は、正負を反転させた波面を生じることが分かる。特に、球面収差を縦収差で表すと、屈折率で正規化された近軸像面入射角α、瞳半径Ｒとして（１５）式で与えられる。
【数１５】
つぎに、厚みがａ、ｂの２つの平行平板を考える。それぞれが生じる球面収差は厚みがａの平行平板については（１６）式で、また、厚みがｂの平行平板については（１７）式で与えられる。
【数１６】
これをホログラムの＋１次と−１次で補償するには、ホログラム以外の非球面対物レンズの球面収差を−ｋ（ａ＋ｂ）／２とし、ホログラムの＋１次と−１次の球面収差がそれぞれ−ｋ（ａ−ｂ）／２、および、ｋ（ａ−ｂ）／２であればよい。このときホログラムと非球面対物レンズの球面収差の和が、それぞれ−ｋａ、−ｋｂとなり、厚みａ、ｂの基板によって生じる球面収差ｋａ、ｋｂと打ち消しあうことになる。
【００２９】
この原理を用いると、図１に示すように薄い光ディスク１ａにはホログラム３の＋１次回折光２０を用い、逆に図２に示すように厚い光ディスク１ｂにはホログラム３の−１次回折光２１を用いて球面収差を補正することができる。当然、この逆の回折次数とディスク厚の組み合わせも可能である。
【００３０】
従って、図３に示すように従来と同様の構成をした光学ピックアップ９０の対物レンズに替わって、対物レンズ２とホログラム３とで構成する二重焦点レンズ４を用いることにより、厚みの異なる複数の光ディスクの記録再生をすることが可能となり、厚さの異なる光ディスク間の互換性を採ることができる。また、複数の情報記録層を有する光ディスクであっても、この二重焦点レンズ４を用いることにより一台の装置で記録再生が可能となる。
【００３１】
例えば、基板厚が０．６ｍｍと１．２ｍｍの２種類の光ディスクに対しては、対物レンズ２を（０．６＋１．２）／２＝０．９ｍｍの基板厚に対して設計し、ホログラム３の＋１次回折光２０、および−１次回折光２１で±０．３ｍｍの基板厚に相当する球面収差を発生させればよい。
【００３２】
平行平板によって生じる球面収差は、横収差係数としては３次の範囲で（１５）式、（１６）式、（１７）式より、（１８）式で与えられる。
【数１８】
【００３３】
このうち、（８）式で示されるコマ収差（ＳII）はパワーＰの二乗に比例するので、この値は＋１次回折光２０と−１次回折光２１とで等しい。また、非球面レンズの入射側面のコマ収差量は、非球面レンズの出射側面のコマ収差量を用いて、補正することができる。
【００３４】
他に、球面収差を補正するには、パワーだけでなく（１４）式の４次のホログラムの非球面係数Ｇを用いる方法が簡単で効果的である。ホログラムの４次の非球面係数は（１９）式で与えられる。（１９）式は（６）式と（１４）式のｒ4 の係数を比べ、（１８）式を代入して得ることができる。
【数１９】
この条件に合致させることにより、球面収差は３次の範囲で完全に補正することができる。しかも、ホログラムがパワーを持っていたとしても、そのパワーによって生じる球面収差は、この４次の非球面係数Ｇと同じ符号であるから、それを含めた補正が可能である。上述したようにコマ収差についても非球面レンズの出射側面において十分な補正ができる。更に、他の収差についても、ホログラムの高次非球面係数と非球面レンズの非球面係数を変数として、レンズ設計プログラムの自動設計により、容易に最適化が可能である。
【００３６】
ここで、この位相ホログラムを階段のような矩形位相形状、即ち、２ステップのバイナリーオプティクスとして設計すれば、±１次回折光は４１％づつの回折効率を持つ。つまり、どちらの次数の回折光に対しても同じ光量が効率よく得られるという利点がある。これは、曲率の正負を反転させた凹レンズと凸レンズを２ステップのバイナリーレンズとしてみれば、同じものとなることからも明らかである。
【００３７】
これに対して、従来の０次光と１次回折光を用いる方式では、光量を分配するために輪帯のピッチや深さを変えて回折効率を設計しなければならない。これは製造上の厳しい条件となるもので、歩留り低下の大きな要因になる。
【００３８】
実際に光ディスクの対物レンズとして使うには、２つの焦点を適当な距離に分離する必要がある。これは、２つの焦点間の干渉の回避や、フォーカス信号とトラッキング信号のクロストークを避けるためである。この分離が十分でなければ、他方の光がバックグラウンドとして加わり、システムの成立が困難になる。そのためにホログラムは弱いパワーを持つ必要がある。
【００３９】
つぎに、対物レンズの開口数について検討する。光ディスクのシステムにおいては、対物レンズの開口数はシステム全体において重要な意味を持つものである。即ち、開口数が高くなれば、それに反比例してスポットサイズは小さくなり、記録密度を高くすることができるが、光ディスクの基板厚や傾き等に対する許容幅が狭まり、記録再生のための余裕が確保できなくなる。
【００４０】
このため、それぞれのシステムにおいて最適な開口数を独自に有しており、そのため、低い開口数で設計された光ディスクを高い開口数の光学系で読む場合は、何らかの手段を用いて開口数を制限する必要がある。これには電気的、機械的な手段が種々考えられるが、特別な機構を必要とする手段では、装置が複雑になり、コスト上昇の要因となっていた。
【００４１】
開口数に関する上述した問題の解決手段として、ホログラムの回折効率を部分的に変えることが考えられる。図４はこれに対応したホログラムの模式図であって、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は断面側面図である。低ＮＡ領域１５では、階段状の２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとし、±１次に光を回折させる。また、高ＮＡ領域１６では、２ステップ以上の位相ホログラム（例えば４ステップ、８ステップ、・・・、究極的にはブレーズド形状の回折型光学素子）を形成し、または通常の屈折型レンズを用いて＋１次回折光（もしくはそれと同様の波面を持つ屈折光）を増加させる。これによって、図５および図６に示すように低いＮＡレンズとしての瞳領域１７と高いＮＡレンズとしての瞳領域１８とが形成され、開口数を制限することになる。
【００４２】
つぎに、ホログラムを非球面対物レンズの入射面上に形成する二重焦点レンズの設計について説明する。
前述したように、対物レンズのディスクに対する傾きで生じる偏芯コマ収差は、軸外入射によるコマ収差Ｆθと、ディスクとレンズの傾きによるコマ収差Ｄθに分類される。これらは対物レンズの傾き角θに比例する。
レンズが持つ偏芯コマ収差をＬとすれば、補正すべき傾き角θ、即ち補正角θは前述したように（３）式で与えられる。
【数２０】
また、二重焦点レンズでは、２つの異なる基板厚みに対応した２つの焦点に対して１つの補正角θでこの条件を同時に満たす必要があり、これが満たされないと十分な補正を行うことができない。基板厚みの異なる２つのディスクの諸量を添字１、２で与えれば偏芯コマ収差の同時補正条件は（４）式で与えられる。
【数２１】
【００４４】
（４）式の両辺の分母はＦとＤの２項からなるが、最終的な解では偏芯がない場合のコマ収差は十分に完全に補正されていなければならず、従ってＤ≫Ｆであることが必要である。よって、同時補正の近似条件は、Ｌ1 ／Ｄ1 ＝Ｌ2 ／Ｄ2 で十分精度のよい近似ができる。実際に設計例でＦとＤを計算すると、ＦはＤの１／１０以下である。
【００４５】
屈折率Ｎ、厚みｔのディスク基板と開口数ＮＡのレンズの傾きθによるコマ収差Ｄθは、３次収差の範囲で（２０）式で与えられることが知られている。
【数２２】
【００４６】
ここで、（２０）式を変形して（２１）式の関係を得る。
【数２３】
【００４７】
一方、第ν面の偏芯Ｅνにより生じるコマ収差は、（２２）式で与えられる（「偏芯の存在する光学系の３次の収差論」松居吉哉著、日本オプトメカトロニクス協会）。
【数２４】
ΔＹ′：像面の横収差
Ｙ′：像高
β ：横倍率
Ｙ ：物体高
α′：物体近軸光線の像面への入射角
Ｒ ：物体平面上に換算した入射瞳半径
φ ：入射瞳でのアジマス角
Ｎ ：物体の屈折率
ω ：物点と物体側主点を結ぶ直線が基準軸となす角度
IIμ ：第μ面コマ収差係数
Ｅν：第ν面の偏芯量
IIＥν：第ν面の偏芯コマ係数
【００４８】
第ν面の偏芯コマ係数IIＥνは、一般に（２３）式で与えられる。
【数２５】
αν ：近軸輪帯光線第ν面入射角
αν′：近軸輪帯光線第ν面出射角
αν ：近軸主光線第ν面入射角
αν′：近軸主光線第ν面出射角
Iμ ：第μ面球面収差係数
IIμ ：第μ面コマ収差係数
【００４９】
従って、±１次回折光を用いたホログラムを非球面対物レンズの入射面上に作成して一体化したレンズについて、
物体面：無限遠
第一面：ホログラムを非球面上に加工した入射側非球面
第二面：出射側非球面
第三面：入射側基板面
第四面：出射側基板面
第五面：像面
とし、前記フォーマットＡとフォーマットＢに対して、それぞれのフォーマットでの収差係数と近軸光線の関数として表される偏芯感度の比が、フォーマットで決まる定数のコマ収差係数の比と等しいか、或いは５次コマ収差の影響を考えて、少なくとも２０％の範囲以内で一致すれば、十分なコマ収差補正を行うことができ、従って、（２４）式を得る。
【数２６】
（２４）式の左辺はレンズ設計プログラムで自動設計の条件として与えることができるため、この条件を満たす設計解を容易に得ることができる。また、実際の設計においては自動設計による最適化が一般的に行われていて、球面収差、非点収差、更に高次の収差などを含めた像面の最適化が行える。
【００５１】
以上、ホログラムと非球面対物レンズとを一体化したタイプについて、その偏芯感度の設計について説明した。ホログラムと非球面対物レンズとを個々に作成した場合、ホログラム面とレンズの２つの非球面の合計３面の偏芯が問題となり、より複雑な設計が必要となる。
【００５２】
上述したような二重焦点レンズを光ディスクの記録再生装置に用いることで、基板の厚みと対物レンズの開口数が異なる複数のフォーマットで形成された光ディスクの互換性を確保することが可能となる。
また、同様に多層構造の光ディスクの各層のディスク表面からの距離の違いによって生じる球面収差の量の違いを、前記二重焦点レンズを光ディスクの記録再生装置に用いて、各層の記録再生を可能とすることも容易に理解できる。
【００５３】
実施の形態例
つぎに、上述した技術的背景に基づき、本発明の具体的構成について添付した図面を参照して説明する。
【００５４】
図１は本発明の対物レンズ２とホログラム３とで構成する二重焦点レンズ４が、厚みの小さい光ディスク１ａに対応している状態を示している。レーザ光１９はホログラム３による＋１次回折光２０を対物レンズ２を通して光ディスク１ａの情報記録面１２に集光し、情報の記録再生を行う。また、図２は前記二重焦点レンズ４が、厚みの大きな光ディスク１ｂに対応している状態を示している。レーザ光１９はホログラム３による−１次回折光２１を対物レンズ２を通して光ディスク１ｂの情報記録面１２に集光し、情報の記録再生を行うものである。
【００５５】
図３は本発明の対物レンズ２とホログラム３を分離した構成の二重焦点レンズ４を用いて光ピックアップ９０を構成した一例であって、半導体レーザ５、ビームスプリッタ６、コリメータ７、対物レンズ２とホログラム３とで構成する二重焦点レンズ４、凹レンズ８および受光素子９を含んで構成されている。
【００５６】
半導体レーザ５から出射されたレーザ光１９はビームスプリッタ６の表面で反射し、コリメータ７で平行光に変換されてホログラム３に入射する。ホログラム３では上述したように＋１次回折光２０と−１次回折光２１を生成し、対物レンズ２によって光ディスク１の情報記録面１２に集光される。図３においては光ディスク１は第一層１０と第二層１１の二層構成としているが、第一層１０の厚みを有する第一の光ディスクと第一層１０と第二層１１を加えた厚みを有する第二の光ディスクとしてもよいことは当然である。
【００５７】
ホログラム３で回折された＋１次回折光２０は第一層１０の情報記録面１２に、また、−１次回折光２１は第二層１１の情報記録面１２にそれぞれ集光される。情報記録面１２からの反射光は対物レンズ２、ホログラム３、コリメータ７およびビームスプリッタ６を通って、凹レンズ８を介して受光素子９上に集光され、記録情報の再生を行う。
【００５８】
図４は本発明に用いるホログラム３の形状の例を示し、同心円状のパターンからなっていて、中央部は階段状の２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとして±１次に光を回折させる低ＮＡ領域１５を構成し、また、周縁部は２ステップ以上の位相ホログラムとして＋１次回折光を増加させる高ＮＡ領域１６を構成している。
【００５９】
図５は図４に示すホログラム３の高ＮＡ領域１６を回折効率のより高い高効率回折型光学素子（ホログラム）２４で構成した二重焦点レンズ４であって、光ディスク１の第一層１０および第二層１１のそれぞれの情報記録面１２に集光することを示す。
また、図６は前記高ＮＡ領域１６を屈折型光学素子２５を用いて構成した二重焦点レンズ４であって、光ディスク１の第一層１０および第二層１１のそれぞれの情報記録面１２に集光することを示す。
【００６０】
つぎに、二重焦点レンズ４の具体的な設計例とその特性について図７ないし図３０を参照して説明する。図７ないし図１４は実施形態例１−１のホログラム３を対物レンズ２の前側（光源側）に置いた二重焦点レンズ４について説明するための図であり、図１５ないし図２２は実施形態例１−２のホログラム３を対物レンズ２の後側（光ディスク側）に置いた二重焦点レンズ４について説明するための図であり、また、図２３ないし図３０は実施形態例１−３のホログラムを対物レンズ２に一体として形成した二重焦点レンズ４について説明するための図である。尚、図中におけるレンズ等の各特性は波長が６３５ｎｍの光に対するものである。
レンズ形状については、光学設計ソフトウエア「ＣＯＤＥ−Ｖ」に従って定義する。
【００６１】
非球面形状は一般に、（２５）式で表される。
【数２７】
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
ｃ：非球面頂点の曲率（＝１／Ｒ）
ｋ：円錐定数
Ａ：第４次の非球面係数
Ｂ：第６次の非球面係数
Ｃ：第８次の非球面係数
Ｄ：第１０次の非球面係数
である。
【００６２】
また、本発明に関するバイナリー型のレリーフ型ホログラムは、製造時の２つの光源を無限遠にあるとしたときの非球面的位相ずれの係数として、ホログラム基板上の極座標多項式により形状指定がなされる。ここで、多項式の係数は、製造波長での光路差（ＯＰＤ）をｍｍ単位で与えるものであり、この光路差（ＯＰＤ）は（２６）式で表される。
【数２８】
実施形態例１−１
図７ないし図１４を参照して実施形態例１−１について説明する。本実施形態例はホログラムを対物レンズ２の前側（光源側）に置いた二重焦点レンズ４であって、厚さ＝０．６ｍｍの基板とＮＡ＝０．６０の対物レンズを用いる第一のフォーマットの光ディスク１ａと、厚さ＝１．２ｍｍの基板とＮＡ＝０．５２の対物レンズを用いる第二のフォーマットの光ディスク１ｂを、波長６３５ｎｍの半導体レーザで記録再生をするものである。第一のフォーマットと第二のフォーマットに対応する光学系は自動設計させる。
【００６４】
それには、対物レンズ２を（０．６＋１．２）／２＝０．９ｍｍの基板厚に対して設計し、ホログラム３で±０．３ｍｍの基板厚に相当する球面収差を発生させればよい。球面収差は４次の波面であり、適当な４次の非球面係数を与えれば略球面収差は補正できる。しかしながら、これだけでは非球面対物レンズ中での光路が変わってしまうため、その補正のために更に高次の項を利用して補正を行う必要がある。
【００６５】
本実施形態例１−１の設計データを表１に示す。
【表１】
図７はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図であり、また、図８はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図である。
【００６７】
図９はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示し、また、図１０はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【００６８】
図１１はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものであり、また、図１２はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【００６９】
図１３はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦであり、また、図１４はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦである。
【００７０】
上記、図９、図１０の収差特性、図１１、図１２の横収差特性、および図１３、図１４のＭＴＦ特性から、本設計による二重焦点レンズ４の特性は光ディスクシステムに用いて好適であって、これを記録再生装置に搭載することにより、フォーマットの異なる２つの光ディスクの互換性を確保できることが分かる。
【００７１】
実施形態例１−２
図１５ないし図２２を参照して実施形態例１−２について説明する。本実施形態例はホログラムを対物レンズ２の後側（光ディスク側）に置いた二重焦点レンズ４であって、厚さ＝０．６ｍｍの基板とＮＡ＝０．６０の対物レンズを用いる第一のフォーマットの光ディスク１ａと、厚さ＝１．２ｍｍの基板とＮＡ＝０．４０の対物レンズを用いる第二のフォーマットの光ディスク１ｂを、波長６３５ｎｍの半導体レーザで記録再生をするものである。
【００７２】
本例ではホログラム３の基板が平行平板として収束光中に加わる。しかし、対物レンズ２中の光路はホログラム３によって影響されないので、設計を完全に分離して行える利点がある。
【００７３】
対物レンズ２は次のように平行平板厚に対して設計する。第一のフォーマットの基板厚と屈折率をａ、ｎ1 とし、第二のフォーマットの基板厚と屈折率をｂ、ｎ2 とし、ホログラム３の基板厚と屈折率をｃ、ｎ3 とすれば、ｎ3 ｃ＋（ｎ1 ａ＋ｎ2 ｂ）／２の基板厚に対して対物レンズ２を設計する。この対物レンズ２を出発点として、ホログラム３では、±（ｎ1 ａ−ｎ2 ｂ）／２の基板厚に相当する球面収差の補正を行う。
【００７４】
本実施形態例１−２の設計データを表２に示す。
【表２】
図１５はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図であり、また、図１６はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図である。
【００７６】
図１７はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示し、また、図１８はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【００７７】
図１９はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものであり、また、図２０はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【００７８】
図２１はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦであり、また、図２２はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦである。
【００７９】
上記、図１７、図１８の収差特性、図１９、図２０の横収差特性、および図２１、図２２のＭＴＦ特性から、本設計による二重焦点レンズ４の特性は光ディスクシステムに用いて好適であって、これを記録再生装置に搭載することにより、フォーマットの異なる２つの光ディスクの互換性を確保できることが分かる。
【００８０】
実施形態例１ ３
図２３ないし図３０を参照して実施形態例１−３について説明する。
現在、光ピックアップ用対物レンズは、金型を用いたモールディングによって作成されている。金型の加工はコンピュータ制御による切削加工なので、ホログラムを位相ホログラムとして、この金型で非球面レンズと一体化して作ることが可能である。本発明の原理を用いた二重焦点レンズも、同様の方法で作ることが可能であり、一体化することで、組立が不要になり、ホログラムと非球面対物レンズの偏芯誤差を取り除くことができると共に、低コストで大量生産することが可能となる。
【００８１】
本実施形態例はホログラムを対物レンズ２と一体に形成するもので、厚さ＝０．６ｍｍの基板とＮＡ＝０．６０の対物レンズを用いる第一のフォーマットの光ディスク１ａと、厚さ＝１．２ｍｍの基板とＮＡ＝０．４０の対物レンズを用いる第二のフォーマットの光ディスク１ｂを、波長６３５ｎｍの半導体レーザで記録再生をするものである。
【００８２】
本実施形態例１−３の設計データを表３に示す。
【表３】
図２３はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図であり、また、図２４はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の光路図である。
【００８４】
図２５はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示し、また、図２６はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【００８５】
図２７はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものであり、また、図２８はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４の横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【００８６】
図２９はディスク基板１ａの厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦであり、また、図３０はディスク基板１ｂの厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された二重焦点レンズ４のＭＴＦである。
【００８７】
上記、図２５、図２６の収差特性、図２７、図２８の横収差特性、および図２９、図３０のＭＴＦ特性から、本設計による二重焦点レンズ４の特性は光ディスクシステムに用いて好適であって、これを記録再生装置に搭載することにより、フォーマットの異なる２つの光ディスクの互換性を確保できることが分かる。
【００８８】
実施形態例２
つぎに、上述した３つの実施形態例の開口を制限する方法について説明する。
【００８９】
形態例２ １
図４および図５を参照して、図４に示す周辺の高ＮＡ領域１６を高効率回折型光学素子２４で置き換えたホログラム３ａを用いた構成について説明する。
図４の低ＮＡ領域１５では２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとし、±１次回折光２０、２１を生成する。その外側の高ＮＡ領域１６では、より高い回折効率の位相ホログラム（４ステップ、８ステップ、・・・、ブレーズド形状などの回折型光学素子）によって＋１次回折光２０を増加させる。これによって高ＮＡ領域１６では−１次の回折効率が著しく低いため、−１次回折光２１に対しては実効的に開口数が下がり、開口数が制限されるものである。
【００９０】
形態例２ ２
つぎに、図４および図６を参照して、図４に示す周辺の高ＮＡ領域１６を屈折型光学素子２５で置き換えたホログラム３ｂを用いた構成について説明する。
本例は図６に示すように、低ＮＡ領域１５では２ステップ・バイナリーの位相ホログラムとし、±１次回折光２０、２１を生成する。その外側の高ＮＡ領域１６では、屈折型光学素子２５により屈折型レンズを構成して、例えば＋１次回折光２０と同様の波面を持つ屈折光２３のみを得るようにする。これによって高ＮＡ領域１６では−１次の回折効率が著しく低いため、−１次回折光２１に対しては実効的に開口数が下がり、開口数が制限されるものである。
【００９１】
従って上述した実施形態例２ １および実施形態例２ ２の手段によって、厚みの異なる光ディスクのそれぞれに合致した開口数を得ることができる。
【００９２】
更に、上述した構成に加えて幾つかの変形例が考えられる。
まず第一は、位相ホログラムは表面のレリーフであるから、光ピックアップを構成する他の光学部品、例えば回折格子や波長板等の表面に一体化して作成してもよい。この方法により部品点数の低減、小型化を図ることができる。
【００９３】
第２は、ホログラム３を図３に示す光学系のビームスプリッタ５の半導体レーザ４側に配置し、光ディスク１への往路のみで、レーザ光１９はホログラム３を通過するように配置する。これによって復路での回折が生じなくなり、実質的な光の利用効率が上がることになる。
【００９４】
第３は、光ディスクの傾きによって生じるコマ収差を補正するために、正負の４次の非球面を作動させることによって補償を行う方法である。また、コリメータレンズを僅かに傾けることで同様の効果が得られ、この方法と本発明とを組み合わせることで外乱による摂動に対して安定な光ピックアップを構成することが可能となる。
【００９５】
以上説明した二重焦点レンズを用いた光ピックアップを光ディスク記録再生装置に搭載することにより、ディスク基板の厚みの異なる光ディスクのフォーマットの互換性をこの光ディスク記録再生装置によって確保することができる。
【００９６】
また、多層構造の光ディスクも同様のホログラムによるレンズを用いた光ピックアップを光ディスク記録再生装置に搭載することにより、この光ディスク記録再生装置一台で全ての情報面に記録再生することができる。これは多層構造のそれぞれの層を基板厚の異なる光ディスクと考えればよく、更に、２層以上の構造については、ホログラムの高次の回折光を使うことにより一台での記録再生が可能となる。
【００９７】
また、収差特性と回折効率から本発明による±１次回折光を用いる方式は従来の０次光と１次回折光を用いる方法に比して、同等もしくはそれ以上の特性を有し、更に、±１次回折光を用いる方式は従来の方法に比べて表４に示すような製造上の利点がある。
【表４】
つぎに、上述した二重焦点レンズを搭載した光ディスク記録再生装置の一例にについて図３１を参照して説明する。光ディスク記録再生装置１００はレーザ光源ユニット３１と、移動部３２と、マグネット３６等で構成される移動部３２を駆動する機構と、光ディスクを回転するスピンドルモータ４２とを主要な要素として構成されている。
【００９９】
レーザ光源ユニット３１は半導体レーザ、レーザ変調回路、コリメートレンズ、ビームスプリッター、受光素子、プリアンプ（以上図示せず）等を内蔵していて、光ディスク基板１上に信号を記録再生するためのレーザ光４３を発生し、また、光ディスク基板１から反射してきた光を受光し復調する。レーザ光源ユニット３１は光ディスク記録再生装置１００の一方の外側板４１に固定されていて、外側板１４に設けた孔を通してレーザ光４３を、二重焦点レンズ４を搭載した移動部３２に向けて出射する。移動部３２の内部にはレーザ光４３を光ディスク基板１の方向に曲げる光学部材（図示せず）が設けられていて、二重焦点レンズ４を通して光ディスク基板１上に集光される。
【０１００】
移動部３２は２本の平行な軸３９に軸受４０を介してＬ方向に移動自在に保持され、移動台３３の両端部にボビン３７が固定されていて、ボビン３７にコイル３８が巻回されている。更に、コイル３８と組み合わされて、リニアモータを構成するようにヨーク３４とヨーク３５、およびヨーク３４とヨーク３５の間にマグネット３６が配置されていて、ボビン３７の中心空洞部をヨーク３５が非接触状態で貫通し、従って、可動部はコイル３８とマグネット３６との間の電磁力によってＬ方向に移動制御される。
【０１０１】
尚、上述した光ディスク記録再生装置１００に限ることなく、光ディスクを記録再生するための他の構成の装置に本発明の二重焦点レンズを用いて効果が大きいことは当然である。
【０１０２】
また、主に二重の焦点を有するレンズ系について述べてきたが、説明した技術的手段によって多重の焦点を有するレンズ系を構成してもよいことは論を待たない。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明は、対物レンズにホログラムを加え、＋１次と−１次の回折光を用いて２つの焦点を作ること、および、その一部を回折効率のより高いホログラムや通常のレンズ等で置き換えることで、それぞれの回折次数に対して異なる開口数を得ることができ、従ってこの二重焦点レンズを光ディスク記録再生装置に用いてフォーマットの互換性を実現する。また、多層構造の光ディスクを一台の光ディスク記録再生装置で記録再生することができる。
【０１０４】
適合されて形成された１枚のホログラムにより、異なった開口数を与えるフォーマットの互換性を実現し、更に、収差については同等以上、レンズとしてのパワーは半分にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による二重焦点レンズの＋１次回折光の光路図である。
【図２】 本発明による二重焦点レンズの−１次回折光の光路図である。
【図３】 本発明による二重焦点レンズを用いた光ピックアップの構成を示す図である。
【図４】 二重焦点レンズに用いるホログラムの図である。
【図５】 高効率回折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図である。
【図６】 屈折型光学素子を用いて開口を制限した二重焦点レンズの模式図である。
【図７】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの光路図である。
【図８】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの光路図である。
【図９】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１０】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１１】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図１２】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図１３】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図１４】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．５２に対して設計された実施形態例１−１の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図１５】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの光路図である。
【図１６】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの光路図である。
【図１７】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１８】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図１９】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２０】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２１】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図２２】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−２の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図２３】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの光路図である。
【図２４】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの光路図である。
【図２５】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図２６】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの収差図であって、（ａ）は球面収差を、（ｂ）は非点収差を、（ｃ）は歪曲収差を示す。
【図２７】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２８】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズの横収差図であって、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）はタンジェンシャル方向に関し、また、同図（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）はサジッタル方向に関するものである。
【図２９】 ディスク基板の厚みが０．６ｍｍ、開口数ＮＡが０．６０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図３０】 ディスク基板の厚みが１．２ｍｍ、開口数ＮＡが０．４０に対して設計された実施形態例１−３の二重焦点レンズのＭＴＦである。
【図３１】 本発明の二重焦点レンズを用いた光ディスク記録再生装置の概略斜視図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ 光ディスク
２ 対物レンズ
３、３ａ、３ｂ ホログラム
４ 二重焦点レンズ
５ 半導体レーザ
６ ビームスピリッタ
７ コリメータ
８ 凹レンズ
９ 受光素子
１０ 第一層
１１ 第二層
１２ 情報記録面
１５ 低ＮＡ領域
１６ 高ＮＡ領域
１７ 低ＮＡレンズとしての瞳領域
１８ 高ＮＡレンズとしての瞳領域
１９ レーザ光
２０ ＋１次回折光
２１ −１次回折光
２２ 回折光
２３ 屈折光
２４ 高効率回折型光学素子
２５ 屈折型光学素子
３１ レーザ光源ユニット
３２ 移動部
３３ 移動台
３４、３５ ヨーク
３６ マグネット
３７ ボビン
３８ コイル
３９ 軸
４０ 軸受け
４１ 外側板
４２ スピンドルモータ
４３ レーザ光
Claims (15)
- ＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を形成すると共に、
前記回折型光学素子を対物レンズに近接して配置し、２枚の異なる厚みの基板に対し、それぞれに対して収差補正され、異なる焦点距離の２焦点を有するレンズ系に構成され、
前記回折型光学素子の外周部位に、回折効率のより高い領域を同心円状に形成し、回折次数に対して異なる開口数を有することを特徴とする二重焦点レンズ。 - 前記回折型光学素子は２ステップの階段形状の位相ホログラムであることを特徴とする、請求項１記載の二重焦点レンズ。
- ＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を非球面レンズの入射側もしくは出射側の表面に一体に形成し、異なる焦点距離の２焦点を有するレンズ系に構成されたことを特徴とする請求項１、２のいずれか１に記載の二重焦点レンズ。
- 物体面を無限遠、第１面を回折型光学素子を非球面上に加工した入射側非球面、第２面を出射側非球面、第３面を入射側基板面、第４面を出射側基板面、第５面を像面とし、
ディスク基板の屈折率がＮＡ、基板厚がｔＡ、開口数がＮＡＡである光ディスクのフォーマットＡと、ディスク基板の屈折率がＮＢ、基板厚がｔＢ、開口数がＮＡＢである光ディスクのフォーマットＢに対して、それぞれのフォーマットでの収差係数と近軸光線との関数として表される第１面と第２面の間に生ずる、（１）式で示される偏芯感度IIE の比
但し、
α2 ：近軸輪帯光線第２面入射角
α2 ′：近軸輪帯光線第２面出射角
α2 ：近軸主光線第２面入射角
α2 ′：近軸主光線第２面出射角
Iμ ：第μ面球面収差係数
IIμ ：第μ面コマ収差係数 - 請求項１〜請求項４のいずれか１に記載した二重焦点レンズを用いて構成したことを特徴とする光ディスク記録再生装置。
- ＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を形成すると共に、
前記回折型光学素子を対物レンズに近接して配置し、２枚の異なる厚みの基板に対し、それぞれに対して収差補正され、異なる焦点距離の２焦点を有するレンズ系に構成され、
前記回折型光学素子の外周部位に、屈折型光学素子を同心円状に設け、回折次数に対して異なる開口数を有することを特徴とする二重焦点レンズ。 - 前記回折型光学素子は２ステップの階段形状の位相ホログラムであることを特徴とする、請求項６に記載の二重焦点レンズ。
- ＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を非球面レンズの入射側もしくは出射側の表面に一体に形成し、異なる焦点距離の２焦点を有するレンズ系に構成されたことを特徴とする請求項６、７のいずれか１に記載の二重焦点レンズ。
- 物体面を無限遠、第１面を回折型光学素子を非球面上に加工した入射側非球面、第２面を出射側非球面、第３面を入射側基板面、第４面を出射側基板面、第５面を像面とし、
ディスク基板の屈折率がＮＡ、基板厚がｔＡ、開口数がＮＡＡである光ディスクのフォーマットＡと、ディスク基板の屈折率がＮＢ、基板厚がｔＢ、開口数がＮＡＢである光ディスクのフォーマットＢに対して、それぞれのフォーマットでの収差係数と近軸光線との関数として表される第１面と第２面の間に生ずる、（１）式で示される偏芯感度IIE の比
但し、
α2 ：近軸輪帯光線第２面入射角
α2 ′：近軸輪帯光線第２面出射角
α2 ：近軸主光線第２面入射角
α2 ′：近軸主光線第２面出射角
Iμ ：第μ面球面収差係数
IIμ ：第μ面コマ収差係数 - 請求項６〜請求項９のいずれか１に記載した二重焦点レンズを用いて構成したことを特徴とする光ディスク記録再生装置。
- ＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を形成すると共に、
前記回折型光学素子を対物レンズに近接して配置し、２枚の異なる厚みの基板に対し、それぞれに対して収差補正され、異なる焦点距離の２焦点を有するレンズ系に構成され、
物体面を無限遠、第１面を回折型光学素子を非球面上に加工した入射側非球面、第２面を出射側非球面、第３面を入射側基板面、第４面を出射側基板面、第５面を像面とし、
ディスク基板の屈折率がＮＡ、基板厚がｔＡ、開口数がＮＡＡである光ディスクのフォーマットＡと、ディスク基板の屈折率がＮＢ、基板厚がｔＢ、開口数がＮＡＢである光ディスクのフォーマットＢに対して、それぞれのフォーマットでの収差係数と近軸光線との関数として表される第１面と第２面の間に生ずる、（１）式で示される偏芯感度IIE の比
但し、
α2 ：近軸輪帯光線第２面入射角
α2 ′：近軸輪帯光線第２面出射角
α2 ：近軸主光線第２面入射角
α2 ′：近軸主光線第２面出射角
Iμ ：第μ面球面収差係数
IIμ ：第μ面コマ収差係数 - 前記回折型光学素子は２ステップの階段形状の位相ホログラムであることを特徴とする、請求項１１記載の二重焦点レンズ。
- ＋１次回折光と−１次回折光を生じる回折型光学素子を非球面レンズの入射側もしくは出射側の表面に一体に形成し、異なる焦点距離の２焦点を有するレンズ系に構成されたことを特徴とする請求項１１、１２のいずれか１に記載の二重焦点レンズ。
- 光ディスクの厚みが１．２ｍｍ、屈折率が１．５８、開口数が０．４０であるフォーマットの偏芯感度IIEＡと、光ディスクの厚みが０．６ｍｍ、屈折率が１．５８、開口数が０．６０であるフォーマットの偏芯感度IIEＢとの比IIEＡ／IIEＢが、１．３５０以上、２．０２５以下であることを特徴とする請求項１１、１２、１３のいずれか１に記載の二重焦点レンズ。
- 請求項１１〜請求項１４のいずれか１に記載した二重焦点レンズを用いて構成したことを特徴とする光ディスク記録再生装置。
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