JP4328562B2 - 光ピックアップ用対物レンズおよび光ピックアップ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、記録密度や保護層の厚みが異なる複数種類の光ディスクに対するデータの記録または再生を行う光ピックアップ装置および該装置に用いられる対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクには、記録密度や保護層の厚みが異なる複数の規格が存在する。例えば、ＣＤ（コンパクトディスク）よりもＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）の記録密度は高く、保護層が薄い。そこで、規格が異なる光ディスクの切り替え時には、保護層の厚みによって変化してしまう球面収差を補正しつつ、情報の記録または再生に使用する光の開口数（ＮＡ）を変化させて記録密度の違いに対応したビームスポットが得られるようにする必要がある。
【０００３】
例えば、ＤＶＤの記録または再生には、ＣＤ専用の光学系より高ＮＡにしてビームスポットを絞る必要がある。スポット径は波長が短いほど小さくなるため、ＤＶＤを利用する光学系では、ＣＤ専用の光学系で用いられていた約７８０ｎｍより短い約６６０ｎｍの発振波長のレーザー光源を用いる。そのため近年、光情報記録再生装置には、波長の異なるレーザー光を発振可能な光源部を有する光ピックアップ装置が使用されている。
【０００４】
また、ＣＤとＤＶＤの各光ディスクに対して、それぞれ良好な状態で各光ディスクの記録面位置にレーザー光を収束させる手段の一つとして、対物レンズの一面に輪帯状の微細な段差を有する回折構造を設けた対物レンズを光ピックアップ装置に搭載する技術が実用化されている。上記のような対物レンズは、該回折構造によって発生する球面収差が入射光束の波長に依存して変化する特徴を利用して、保護層厚の異なる各光ディスクに対応して、常に記録面上にレーザー光が良好な状態で収束するようにしている。
【０００５】
該対物レンズの回折構造が設けられた面は、詳しくは光軸近傍に位置する内側領域と、該内側領域の外側にある外側領域とに分けられる。内側領域は、ＣＤに対する情報の記録または再生用の光が該ＣＤの記録面において良好に収束し、かつＤＶＤに対する情報の記録または再生用の光が該ＤＶＤの記録面において良好に収束するような回折構造を備えている。外側領域は、ＣＤに対する情報の記録または再生用の光が該ＣＤの記録面において収束に寄与せず、ＤＶＤに対する情報の記録または再生用の光のみが該ＤＶＤの記録面において良好に収束するような回折構造を備えている。
【０００６】
上記のような構造により、ＣＤに対する情報の記録または再生用の光のうち、外側領域を透過した光束は、大きな球面収差を有するため記録面上では拡散してしまい、内側領域を透過した光束のみが記録面上で収束し、比較的大径のスポットを形成する。また、ＤＶＤに対する情報の記録または再生用の光は、外側領域を透過する光束も収差を持たずに収束するためＮＡが大きくなり、記録密度の高いＤＶＤに対する情報の記録または再生に適した小径のスポットを形成する。
【０００７】
ＤＶＤとＣＤのような対応波長の異なる光ディスクに互換性を有する対物レンズおよび該対物レンズを搭載した光ピックアップ装置は、例えば以下の特許文献１に開示される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−９３１７９号公報
【０００９】
近年、情報記録のさらなる高容量化を実現すべく、より一層記録密度の高い新規格の光ディスクが実用化されつつある。該光ディスクとしては、例えばＡＯＤ（Advanced Optical Disc）等がある。このような光ディスクは、ＤＶＤの保護層厚と同等もしくはそれ以下の保護層厚を有する。また、該光ディスクに対する情報の記録または再生時には、その記録密度の高さからＤＶＤに対する情報の記録または再生時に用いられる波長よりもさらに短波長な光束（例えば４０５ｎｍあたりのいわゆる青色レーザー光）を使用することが要求される。
【００１０】
該新規格の光ディスクの実用化に伴い、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクに対する情報の記録または再生に互換性を持つ新たな光情報記録再生装置の早期実現が望まれている。該装置の早期実現には、上記のどの光ディスクを使用した場合でも、入射光束を各光ディスクの記録面上に良好に収束させる対物レンズが必要となる。しかしながら、上述したように、特許文献１に例示されるような従来の対物レンズは、あくまでＣＤとＤＶＤに対して情報の記録または再生を行うとき好適となるように構成されている。つまり、従来の対物レンズは、新規格の光ディスクを使用することは全く想定されていない。そのため、従来の対物レンズに青色レーザー光を入射させると、新規格の光ディスクの記録面上において球面収差を始めとする諸収差が発生してしまい、該新規格の光ディスクに対する情報の記録または再生に適したスポットを形成することができなかった。以上より、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクに対する情報の記録または再生に互換性を持つように、対物レンズのさらなる改善が望まれていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上記の事情に鑑み、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクのいずれに対する情報の記録または再生時にも各ディスクの記録面上において球面収差を抑えて良好なスポットを形成することができる光ピックアップ用対物レンズおよび該対物レンズを搭載する光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光ピックアップ用対物レンズは、少なくとも二種類の保護層厚を持つ複数の光ディスクに対して第一から第三の波長をもつ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光ピックアップ装置に搭載され、上記の第一から第三の波長のうち最も短い第一の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第一の光ディスクの保護層厚をｔ１、第一の波長よりも長い第二の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第二の光ディスクの保護層厚をｔ２、第一から第三の波長のうち最も長い第三の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第三の光ディスクの保護層厚をｔ３、とすると、
ｔ１≦ｔ２＜ｔ３
であり、第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ２、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ３、とすると、
ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３
であり、第一の波長、及び、第二の波長の光束は略平行光が、第三の波長の光束は発散光が対物レンズに入射し、前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ１、焦点距離をｆ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ２、焦点距離をｆ２、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ３、焦点距離をｆ３とすると、以下の式（１）から式（３）、
−０．０２＜ｆ１×ｍ１＜０．０２・・・（１）
−０．０２＜ｆ２×ｍ２＜０．０２・・・（２）
−０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）
を満たし、
さらに、対物レンズの少なくとも１面に回折構造を有し、該回折構造の第三の波長の光束を第三の光ディスクの記録面上に収束させる第一の領域において、各光束に対する回折効率が最大となる回折次数がどれも一次であり、さらに、第一の波長の光束および第二の波長の光束をそれぞれ第一の光ディスクおよび第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ第三の波長の光束の収束には寄与しない第二の領域を有し、該第二の領域の回折効率が最大になる回折次数は、第一の波長の光束が三次、前記第二の波長の光束が二次であることが好ましい。
【００１３】
ここで、第一の光ディスクとは上述した新規格の光ディスク、より詳しくはＤＶＤよりも高容量の情報記録が可能で、情報の記録または再生には青色レーザー光を用いる光ディスクが該当する。また、第二の光ディスクとは例えばＤＶＤが該当し、第三の光ディスクとは、例えばＣＤやＣＤ−Ｒが該当する。
【００１４】
請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズは、第一の波長、及び、第二の波長の光束は略平行光が、第三の波長の光束は発散光が入射し、かつ、少なくとも１面に上記のような回折構造を有している。これにより、第一から第三の波長の光束が、各光ディスク面上に良好に収束される。
【００１５】
従来のＣＤとＤＶＤに対する情報の記録または再生にのみ対応した対物レンズでは、回折構造を持たせることで、異なる２つの波長に対して球面収差を補正することはできる。しかし、本特許のように、異なる３つの波長の場合、設計自由度が不足するために球面収差を補正することはできない。そこで、異なる３つの波長のうち、２つの波長に対しては回折構造により球面収差を補正し、残りの１つの波長に対しては対物レンズに入射する光束の発散度を異ならせることにより球面収差を補正している。
【００１６】
請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズでは、各光束について第一の領域において回折効率が最大になる回折次数が全て１次のため、回折構造で補正する２つの波長をどのように組み合わせても、球面収差の補正は可能である。有限系を利用した場合、軸外コマ収差により、トラッキング動作時の収差悪化が避けられない。情報の記録または再生に高いＮＡが要求されればされるほど、収差許容量が小さくなる。従って、請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズは、情報の記録または再生に高いＮＡが要求される第一および第二の光ディスク使用時には、対物レンズには略平行光束が入射し、比較的低いＮＡの第三の光ディスク使用時には、対物レンズには発散光束が入射するようになっている。これにより、該対物レンズがトラッキングシフトした場合であっても、第一及び第二の光ディスク使用時には、コマ収差や非点収差の発生量はほぼ無視できるほど小さくできる。なお、第一の領域は、上記の通り、第一〜第三の波長の光束を第一〜第三の光ディスクの記録面上にそれぞれ収束させるための領域で、対物レンズの光軸近傍に設けられる。
【００１７】
しかし、各光源と光ディスクとの間に配設されるカップリングレンズの焦点距離は波長差による屈折率により異なる。従って、各光源から照射された光束を共通のカップリングレンズを介して記録面に導く構成において、第一の波長の光束を照射する光源と第二の波長の光束を照射する光源が同一基板上にある場合、つまり各光源がカップリングレンズから同距離にある場合、対物レンズに入射する光束のうち第一及び第二の波長の少なくとも一方は、収束光、もしくは発散光にならざるを得ない。そこで、請求項１に記載の対物レンズは、第一、または第二の光ディスク使用時、上記の式（１）および式（２）を満たすように対物レンズの結像倍率が極力小さいことが望ましい。これにより、トラッキング動作時の収差の発生量を小さくすることができる。
【００１８】
また、請求項１に記載の対物レンズは、第三の光ディスク使用時、上記の式（３）を満たすように構成される。式（３）の上限を超えると、オーバーな球面収差が残存してしまい好ましくない。また、式（３）の下限を下回ると、アンダーな球面収差が発生してしまい好ましくない。
【００１９】
このように本発明によれば、既存の光ディスク（第二の光ディスク、第三の光ディスク）に対する情報の記録または再生時のみならず、新たな規格の光ディスク（第一の光ディスク）に対する情報の記録または再生時においても球面収差を抑えて記録面上に良好なスポットを形成することができる。
【００２０】
また、このような第二の領域を設けることにより、該第二の領域を透過する第三の波長の光束を拡散することができる。また、温度変化などによるレーザーの発振波長の変化による波面収差の劣化も抑えることができる。なお、第二の領域は、第一の領域よりも外側に設けられる。
【００２１】
さらに上記（４）式を満たす場合、上記回折構造には、第二の領域の外側に、第一の波長の光束のみを効率よく収束させる第三の領域を設けることが望ましい。該第三の領域において、第一の波長の光束に対する回折効率が最大になる回折次数は、第二の領域において第一の波長の光束に対する回折効率が最大になる回折次数とは異なるように設定される。このような第三の領域を設けることにより、該第三の領域を透過する第二及び第三の波長の光束を拡散することができる。
【００２３】
上述した光ピックアップ用対物レンズは、第一から第三の光ディスクの保護層厚ｔ１〜ｔ３に対して、
ｔ１≒０．６ｍｍ
ｔ２≒０．６ｍｍ
ｔ３≒１．２ｍｍ
を満たす光ピックアップ装置に搭載される。
【００２４】
また、第一の波長をλ１、第三の波長をλ３、第一の波長λ１に対する対物レンズの屈折率をｎ１、第三の波長λ３に対する対物レンズの屈折率をｎ３、とすると、以下の式（５）、
λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（５）
を共に満たすような三種類の光束を照射する光源を備える光ピックアップ装置に搭載される。このような光ピックアップ装置は、少なくとも二種類の保護層厚を持つ複数の光ディスクのいずれに対しても、情報の記録または再生を行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光ピックアップ用対物レンズ３０および該対物レンズ１０を搭載する光ピックアップ装置１００の実施形態を説明する。光ピックアップ装置１００は、保護層の厚みや記録密度が異なる第一から第三の光ディスクＤ１〜Ｄ３に対して互換性を有する光情報記録または再生装置に搭載される。
【００２６】
図１は、光ピックアップ装置の概略構成を表す模式図である。光ピックアップ装置は、第一〜第三光源１０Ａ〜１０Ｃ、カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃ、対物レンズ３０、ビームスプリッタ４１、４２を有する。図１に示すように、各光源１０Ａ〜１０Ｃから照射され各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃを透過した各光束は、二つのビームスプリッタ４１、４２によって共通の光路を導かれ、対物レンズ３０に入射する。対物レンズを透過した光束は、情報の記録または再生の対象となる光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面上に収束する。
【００２７】
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、図１を各光ディスク使用時における光路ごとに分けて図示した光ピックアップ装置１００の概略構成を表す図である。すなわち、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、順に、第一の光ディスクＤ１、第二の光ディスクＤ２、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時における構成図である。図１、図２において、光ピックアップ装置１００の基準軸は、図中一点鎖線で表示されている。また、第一光源１０Ａから照射された光束は実線で、第二光源１０Ｂから照射された光束は破線で、第三光源１０Ｃから照射された光束は点線で、それぞれ描かれている。図１、図２に示す状態では、対物レンズの光軸は光学系の基準軸と一致しているが、トラッキング動作などにより対物レンズの光軸が光学系の基準軸から外れる状態もある。
【００２８】
なお本実施形態では、記録密度が最も高い光ディスク（例えばＡＯＤ等の新規格の光ディスク）を第一の光ディスクＤ１、第一の光ディスクＤ１に比べて相対的に記録密度が低い（例えばＤＶＤやＤＶＤ−Ｒ等）を第二の光ディスクＤ２、記録密度が最も低い光ディスク（例えばＣＤやＣＤ−Ｒ等）を第三の光ディスクＤ３と記す。また、各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層厚をそれぞれｔ１〜ｔ３とすると、各保護層厚には、以下のような関係がある。
ｔ１≦ｔ２＜ｔ３
なお、どの光ディスクも情報の記録または再生時は、図示しないターンテーブル上に載置され回転駆動される。
【００２９】
各光ディスクＤ１〜Ｄ３のそれぞれに対して情報の記録または再生を行う場合、記録密度の違いに対応したビームスポットが得られるように、必要とされるＮＡの値を変化させる必要がある。ここで、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時に必要とされるＮＡを、それぞれＮＡ１、ＮＡ２、ＮＡ３とすると、各ＮＡには以下のような関係がある。
ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３
つまり、最も記録密度の高い第一の光ディスクＤ１に対する情報の記録または再生時には、より小径なビームスポットの形成が要求されるため、必要なＮＡが最も高くなる。
【００３０】
第一光源１０Ａは、第一の光ディスクＤ１に対して情報の記録または再生を行う際に用いられる。つまり、第一光源１０Ａは、第一の光ディスクＤ１の記録面上において最も小径のビームスポットを形成するために、三つの光源のうち最も短波長であるレーザー光（以下、第一のレーザー光という）を照射する。第三光源１０Ｃは、第三の光ディスクＤ３に対して情報の記録または再生を行う際に用いられる。つまり、第三光源１０Ｃは、第三の光ディスクＤ３の記録面上において最も大径のビームスポットを形成するために、三つの光源のうち最も長波長であるレーザー光（以下、第三のレーザー光という）を照射する。第二光源１０Ｂは、記録密度の高い第二の光ディスクＤ２に対して情報の記録または再生を行う際に用いられる。つまり、第二光源１０Ｂは、第二の光ディスクＤ２の記録面上において比較的小径のビームスポットを形成するために、第一のレーザー光よりは長波長であってかつ第三のレーザー光よりは短波長であるレーザー光（以下、第二のレーザー光という）を照射する。
【００３１】
なお、各光源１０Ａ〜１０Ｃは、それぞれ独立して異なる場所に配設されていてもよいし、単一の基板上に所定方向に並べて配設されていてもよい。各光源１０Ａ〜１０Ｃを独立して異なる場所に配設する場合、各光源１０Ａ〜１０Ｃから照射されたレーザー光は、図１に示すように、各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃを透過した後、各ビームスプリッタ４１、４２によって合成され、対物レンズ３０に導かれる。
【００３２】
対物レンズ３０は、各光源側から順に第一面３０ａと第二面３０ｂを有する。対物レンズ３０は、図１や図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように両面３０ａ、３０ｂとも非球面である両凸のプラスチック製単レンズである。上述した通り、各光ディスクＤ１〜Ｄ３は、保護層の厚さが異なり、各光ディスク使用時に用いる光束の波長も異なるので、対物レンズ３０の屈折率も異なる。このため、情報の記録または再生に使用される光ディスクによって球面収差が変化する。そこで、本実施形態においては、対物レンズ３０の少なくとも一方の面（本実施形態では面３０ａ）に光軸を中心とした複数の微細な段差を有する輪帯状の回折構造を設ける。
【００３３】
図３は、対物レンズ３０の光軸ＡＸを含む面での断面形状の第一面３０ａ近傍の拡大図である。対物レンズ３０の第一面３０ａは、以下のように形成される。第一面３０ａは、光軸の周囲に位置する第一の領域３１と、第一の領域３１の周囲に位置する第二の領域３２と、第二の領域３３の最外周からレンズ外周部（不図示）までの第三の領域３３と、を有する。第一から第三の各領域３１〜３３に形成される各輪帯状の段差は、面３０ａの内側から外側に向かって、隣接する輪帯に対して、光路長差が特定の光束の波長の略整数倍となるように形成される。
【００３４】
第一の領域３１は、第一から第三の各レーザー光がそれぞれ対応する光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面において良好に収束するような回折構造を備える。具体的には、該回折構造は、第一から第三の各レーザー光の回折効率が最大となる回折次数がどれも一次となるように設計される。すなわち、第一から第三のどの光ディスクを使用した場合であっても、第一の領域３１を透過した光束のうち各光ディスクに対する情報の記録または再生に利用される回折光は、一次回折光である。
【００３５】
第二の領域３２は、第一のレーザー光および第二のレーザー光がそれぞれ対応する光ディスクＤ１、Ｄ２の記録面において略無収差で良好に収束するような回折構造を有する。具体的には、該回折構造は、第一のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が三次、第二のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が二次となるように設計される。このように設計された第二の領域３２を透過した第三のレーザー光は、第一の領域３１を透過した第三のレーザー光と波面の位相が揃わない。つまり、第二の領域３２は、第三のレーザー光の収束には寄与しない。
【００３６】
第三の領域３３は、対物レンズ３０が、以下の式（４）または式（５）、
ｆ１×ＮＡ１＞ｆ２×ＮＡ２・・・（４）
ｆ１×ＮＡ１＜ｆ２×ＮＡ２・・・（５）
を満たす場合に設けられる領域である。
【００３７】
対物レンズ３０が式（４）を満たすときに設けられる第三の領域３３は、第一のレーザー光が第一の光ディスクＤ１の記録面において略無収差で良好に収束するような回折構造を有する。ここで、第三の領域３３は、第二の領域３２とは異なり、第二のレーザー光の収束には寄与しない。そのため、該回折構造は、第一のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が第二の領域３２における第一のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数とは異なるように設計される。該設計時には、第三の領域３３は、第一のレーザー光に対する回折効率が最大となるようにブレーズ化される。
【００３８】
対物レンズ３０が式（５）を満たすときに設けられる第三の領域３３は、第二のレーザー光が第二の光ディスクＤ２の記録面において略無収差で良好に収束するような回折構造を有する。ここで、第三の領域３３は、第二の領域３２とは異なり、第一のレーザー光の収束には寄与しない。そのため、該回折構造は、第二のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が第二の領域３２における第二のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数とは異なるように設計される。該設計時には、第三の領域３３は、第二のレーザー光に対する回折効率が最大となるようにブレーズ化される。
【００３９】
上記のように各領域３１〜３３の回折構造を設計することにより、上述した各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時に好適なＮＡ（ＮＡ１〜ＮＡ３）が得られる。
【００４０】
また上記のような回折構造をもつ対物レンズ３０が装置１００の基準軸上にある場合、第一の光ディスクＤ１または第二の光ディスクＤ２に対する情報の記録または再生時、対物レンズ３０を透過したレーザー光は、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束する。しかし、対物レンズ３０がトラッキングによって該基準軸上からずれた場合、対物レンズ３０には軸外光が入射する。この際、対物レンズへ発散光が入射した場合、コマ収差等が発生してしまう。一般に、情報の記録または再生に高ＮＡが要求される光ディスクほど、収差に対する許容範囲が狭い。従って、第一の光ディスクＤ１または第二の光ディスクＤ２に対する情報の記録または再生時、対物レンズ３０がトラッキングシフトした場合であっても、諸収差の発生を抑えるために、対物レンズ３０には略平行光束を入射させる。具体的には、第一の光ディスクＤ１使用時における対物レンズ３０の結像倍率をｍ１、焦点距離をｆ１、第二の光ディスクＤ２使用時における対物レンズ３０の結像倍率をｍ２、焦点距離をｆ２、とすると、対物レンズ３０は、以下の式（１）および式（２）を満たすように設計される。
−０．０２＜ｆ１×ｍ１＜０．０２・・・（１）
−０．０２＜ｆ２×ｍ２＜０．０２・・・（２）
【００４１】
式（１）および式（２）を満たすように対物レンズ３０を設計することにより、第一の光ディスクＤ１、及び第二の光ディスクＤ２使用時に、トラッキング動作時に発生するコマ収差や非点収差を良好に抑えることができる。
【００４２】
本実施形態では、第一光源１０Ａと第二光源１０Ｂを、各光源１０Ａ、１０Ｂから照射されたレーザー光が各カップリングレンズ２０Ａ、２０Ｂによって平行光束に変換されるような位置に配設することにより、対物レンズ３０の結像倍率を０にしている。すなわち本実施形態のカップリングレンズ２０Ａ、２０Ｂは、第一のレーザー光および第二のレーザー光に対して、コリメートレンズとして機能する。
【００４３】
上記のように、収差に対する許容範囲が狭い各光ディスクＤ１、Ｄ２使用時の収差を有効に抑えるように対物レンズ３０を設計すると、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時に発生する球面収差が十分に抑えきれない。そこで、第三の光ディスクＤ３使用時に発生する球面収差は、図２（Ｃ）に示すように対物レンズ３０に入射する光束を発散光にすることにより補正する。具体的には、第三の光ディスクＤ３使用時における対物レンズ３０の結像倍率をｍ３、焦点距離をｆ３とすると、対物レンズ３０は、以下の式（３）を満たすように設計される。
−０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）
【００４４】
式（３）を満たすように対物レンズ３０を設計することにより、第三の光ディスクＤ３使用時に発生する球面収差を良好に抑えることができる。
【００４５】
なお、上述したように、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時に光束の収束に寄与する領域は、第一の領域３１のみである。従って、第一の領域３１の回折構造は、第三のレーザー光の利用効率が高くなるように第三のレーザー光の波長でブレーズ化されることが望ましい。しかし、第三のレーザー光の波長でブレーズ化された回折構造では第一のレーザー光の利用効率が下がってしまう。そこで、第一の領域３１において、最外周近傍の輪帯（第二の領域３２との境界に近い輪帯）を光軸ＡＸよりの輪帯よりも長めの波長でブレーズ化しても良い。
【００４６】
上記のような構成により、図２（Ａ）〜（Ｃ）にそれぞれ示すように、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時、使用する光ディスクに対応する光源から照射されたレーザー光は、各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃと各ビームスプリッタ４１、４２と対物レンズ３０を介して光ディスクの記録面近傍に収束し、情報の記録または再生に好適なスポットを形成する。
【００４７】
以上説明した、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示す光ピックアップ装置１００は、使用する各レーザー光の波長を対物レンズ３０の屈折率を考慮しつつ比較した場合、回折レンズ構造による収差補正が困難な関係にある場合であっても、各光ディスクの記録面に良好なスポットを形成し、情報の記録または再生を可能にしている。該関係とは、具体的には、第一のレーザー光の波長をλ１、第三のレーザー光の波長をλ３、第一の波長λ１に対する対物レンズ３０の屈折率をｎ１、第三の波長λ３に対する対物レンズ３０の屈折率をｎ３、とすると、以下の式（６）のような関係をいう。
λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（６）
【００４８】
式（６）のような関係がある場合、本実施形態の対物レンズ３０は、記録密度が高く収差の許容範囲が狭い第一および第二の光ディスク使用時には、面３０ａに設けられた回折構造によって収差を略完全に補正し、第三の光ディスク使用時には、回折構造と対物レンズの結像倍率によって収差を補正できる。つまり光ピックアップ対物レンズ３０や装置１００は、式（６）のような関係がある複数の光ディスクに互換性を持つレンズもしくは装置といえる。
【００４９】
【実施例】
以上説明した実施形態に基づく具体的な実施例を提示する。実施例は、保護層厚が０．６ｍｍの第一の光ディスクＤ１および第二の光ディスクＤ２と、保護層厚が１．２ｍｍの第三の光ディスクＤ３との互換性を有する光ピックアップ用対物レンズ３０を搭載する光ピックアップ装置１００に関するものである。
【００５０】
実施例の光ピックアップ装置１００を表す概略図は図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示される。実施例の対物レンズ３０の具体的な仕様は、表１に示されている。
【００５１】
【表１】
【００５２】
表１中、設計波長とは、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生の際に最も適した波長のことである。表１に示す対物レンズ３０を備える光ピックアップ装置１００の具体的数値構成は表２〜表４に示される
【００５３】
【表２】
【表３】
【表４】
【００５４】
表２〜表４は、順に、第一の光ディスクＤ１、第二の光ディスクＤ２、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時における光ピックアップ装置１００の具体的数値構成である。
【００５５】
表２〜表４中の備考に示すように、面番号０が各光源１０Ａ〜１０Ｃ、面番号１、２が各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃ、表２〜表３の面番号３、４がビームスプリッタ４１、表２〜３の面番号５、６及び表４の面番号３、４がビームスプリッタ４２、表２〜３の面番号７、８及び表４の面番号５、６が対物レンズ３０、表２〜３の面番号９、１０及び表４の面番号７、８が媒体である各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層および記録面を示している。表２〜表４中、ｒはレンズ各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、ｄは情報の記録または再生時におけるレンズ厚またはレンズ間隔（単位：ｍｍ）、ｎ（Ｘｎｍ）は波長Ｘｎｍでの屈折率である。表２〜表４に示すように対物レンズ３０の第一面３０ａは、第一から第三の三つの領域からなっている。それぞれ第一から第三の各領域３１〜３３の範囲を光軸ＡＸからの高さｈで表すと、
第一の領域３１…ｈ≦１．５３、
第二の領域３２…１．５３＜ｈ≦１．８７、
第三の領域３３…１．８７＜ｈ≦１．９５、となる。
【００５６】
また、各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃの第二面、および対物レンズ３０の両面３０ａ、３０ｂは非球面である。その形状は光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非球面の光軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２として、以下の式で表される。
【数１】
【００５７】
第一の光ディスクＤ１、第二の光ディスクＤ２、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時における各非球面の形状を規定する円錐係数と非球面係数は、順に表５〜７に示される。
【００５８】
【表５】
【表６】
【表７】
【００５９】
なお各表における表記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を表している。以下に示す表８においても同様である。
【００６０】
さらに、対物レンズ３０の第一面３０ａに形成された回折構造は、以下の光路差関数φ（ｈ）により表される。
【数２】
【００６１】
光路差関数φ（ｈ）は、回折レンズの機能を光軸からの高さｈでの光路長付加量の形で表現したものである。Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、…はそれぞれ２次、４次、６次、…の係数である。該回折構造を規定する光路差関数係数Ｐ２、…は、表８に示される。ｍは第一から第三の各領域３１〜３３において各レーザー光の回折効率が最大となる回折次数を表す。回折次数ｍは使用するレーザー光によって領域ごとに異なる値が設定されており、詳しくは表９に示される。
【００６２】
【表８】
【表９】
【００６３】
実施例の光ピックアップ装置１００の対物レンズ３０は、ｆ１×ｍ１が０．０００、ｆ２×ｍ２が０．０００、ｆ３×ｍ３が−０．１５９であり、式（１）から式（３）を満たす。また、ｆ１×ＮＡ１が１．９５、ｆ２×ＮＡ２が１．８７であり、式（４）を満たす。従って対物レンズ３０は、第二の領域３２において第一のレーザー光に対する回折効率が最大になる回折次数（３次）とは異なる最大回折次数（１次）の第三の領域３３がある。また、表１に示すように実施例の光ピックアップ装置１００は、式（６）が１：２となる。
【００６４】
図４は、光ピックアップ用装置１００において、第一のレーザー光が対物レンズ３０を透過することにより発生する球面収差を表す収差図である。同様に、図５は、第二のレーザー光が対物レンズ３０を透過することにより発生する球面収差を表し、図６は、第三のレーザー光が対物レンズ３０を透過することにより発生する球面収差を表す。図４〜６に示すように、式（６）の関係を持つ光ピックアップ装置１００は、式（１）から式（３）を満たすことにより、どの光ディスクに対する情報の記録または再生時であっても球面収差を良好に補正して、記録面上には情報の記録または再生に好適なスポットを形成することができる。
【００６５】
以上が本発明の実施例である。なお、上記の各実施例はあくまでも本発明に係る対物レンズの一例である。つまり本発明に係る対物レンズは、各実施例の具体的数値構成に限定されるものではない。例えば回折構造を設ける面は、第一面３０ａではなく、第二面３０ｂであってもよい。また、第一面と第二面の両方に回折構造を設けても良い。
【００６６】
また、表１の設計開口数も例示である。つまり本発明に係る対物レンズは、書き込み可能な第三の光ディスク使用時に必要な比較的高いＮＡ（約０．５０程度）を該ディスクＤ３に対応する設計開口数とすることができる。同様に、本発明に係る対物レンズは、第二の光ディスクＤ２に必要な高いＮＡ（約０．６５程度）を該ディスクＤ２に対応する設計開口数とすることができる。このように設計開口数を適宜変更した結果、第一の光ディスクＤ１使用時に必要なＮＡと第二の光ディスクＤ２使用時に必要なＮＡとが略一致する場合、第三の領域３３は設けなくて良い。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回折構造の回折次数を適切に設定すると共に、該回折構造で除去しきれない収差を結像倍率の調整によって良好に抑えることにより、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクのいずれに対する情報の記録または再生時にも各ディスクの記録面上において球面収差を抑えて良好なスポットを形成可能な光ピックアップ用対物レンズおよび該対物レンズを搭載する光ピックアップ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ピックアップ用対物レンズを搭載する光ピックアップ装置の概略構成を表す模式図である。
【図２】本発明の実施形態の光ピックアップ装置１００を各光ディスク使用時における光路ごとに分けて示している。
【図３】本発明の実施形態の光ディスク用対物レンズの光軸を含む面での断面形状の第一面近傍の拡大図である。
【図４】第一のレーザー光透過時に実施例の対物レンズで発生する球面収差を表す収差図である。
【図５】第二のレーザー光透過時に実施例の対物レンズで発生する球面収差を表す収差図である。
【図６】第三のレーザー光透過時に実施例の対物レンズで発生する球面収差を表す収差図である。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｃ 光源
２０Ａ〜２０Ｃ カップリングレンズ
３０ 対物レンズ
３１ 第一の領域
３２ 第二の領域
３３ 第三の領域
４１、４２ ビームスプリッタ
Ｄ１〜Ｄ３ 光ディスク
１００ 光ピックアップ装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、記録密度や保護層の厚みが異なる複数種類の光ディスクに対するデータの記録または再生を行う光ピックアップ装置および該装置に用いられる対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクには、記録密度や保護層の厚みが異なる複数の規格が存在する。例えば、ＣＤ（コンパクトディスク）よりもＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）の記録密度は高く、保護層が薄い。そこで、規格が異なる光ディスクの切り替え時には、保護層の厚みによって変化してしまう球面収差を補正しつつ、情報の記録または再生に使用する光の開口数（ＮＡ）を変化させて記録密度の違いに対応したビームスポットが得られるようにする必要がある。
【０００３】
例えば、ＤＶＤの記録または再生には、ＣＤ専用の光学系より高ＮＡにしてビームスポットを絞る必要がある。スポット径は波長が短いほど小さくなるため、ＤＶＤを利用する光学系では、ＣＤ専用の光学系で用いられていた約７８０ｎｍより短い約６６０ｎｍの発振波長のレーザー光源を用いる。そのため近年、光情報記録再生装置には、波長の異なるレーザー光を発振可能な光源部を有する光ピックアップ装置が使用されている。
【０００４】
また、ＣＤとＤＶＤの各光ディスクに対して、それぞれ良好な状態で各光ディスクの記録面位置にレーザー光を収束させる手段の一つとして、対物レンズの一面に輪帯状の微細な段差を有する回折構造を設けた対物レンズを光ピックアップ装置に搭載する技術が実用化されている。上記のような対物レンズは、該回折構造によって発生する球面収差が入射光束の波長に依存して変化する特徴を利用して、保護層厚の異なる各光ディスクに対応して、常に記録面上にレーザー光が良好な状態で収束するようにしている。
【０００５】
該対物レンズの回折構造が設けられた面は、詳しくは光軸近傍に位置する内側領域と、該内側領域の外側にある外側領域とに分けられる。内側領域は、ＣＤに対する情報の記録または再生用の光が該ＣＤの記録面において良好に収束し、かつＤＶＤに対する情報の記録または再生用の光が該ＤＶＤの記録面において良好に収束するような回折構造を備えている。外側領域は、ＣＤに対する情報の記録または再生用の光が該ＣＤの記録面において収束に寄与せず、ＤＶＤに対する情報の記録または再生用の光のみが該ＤＶＤの記録面において良好に収束するような回折構造を備えている。
【０００６】
上記のような構造により、ＣＤに対する情報の記録または再生用の光のうち、外側領域を透過した光束は、大きな球面収差を有するため記録面上では拡散してしまい、内側領域を透過した光束のみが記録面上で収束し、比較的大径のスポットを形成する。また、ＤＶＤに対する情報の記録または再生用の光は、外側領域を透過する光束も収差を持たずに収束するためＮＡが大きくなり、記録密度の高いＤＶＤに対する情報の記録または再生に適した小径のスポットを形成する。
【０００７】
ＤＶＤとＣＤのような対応波長の異なる光ディスクに互換性を有する対物レンズおよび該対物レンズを搭載した光ピックアップ装置は、例えば以下の特許文献１に開示される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−９３１７９号公報
【０００９】
近年、情報記録のさらなる高容量化を実現すべく、より一層記録密度の高い新規格の光ディスクが実用化されつつある。該光ディスクとしては、例えばＡＯＤ（Advanced Optical Disc）等がある。このような光ディスクは、ＤＶＤの保護層厚と同等もしくはそれ以下の保護層厚を有する。また、該光ディスクに対する情報の記録または再生時には、その記録密度の高さからＤＶＤに対する情報の記録または再生時に用いられる波長よりもさらに短波長な光束（例えば４０５ｎｍあたりのいわゆる青色レーザー光）を使用することが要求される。
【００１０】
該新規格の光ディスクの実用化に伴い、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクに対する情報の記録または再生に互換性を持つ新たな光情報記録再生装置の早期実現が望まれている。該装置の早期実現には、上記のどの光ディスクを使用した場合でも、入射光束を各光ディスクの記録面上に良好に収束させる対物レンズが必要となる。しかしながら、上述したように、特許文献１に例示されるような従来の対物レンズは、あくまでＣＤとＤＶＤに対して情報の記録または再生を行うとき好適となるように構成されている。つまり、従来の対物レンズは、新規格の光ディスクを使用することは全く想定されていない。そのため、従来の対物レンズに青色レーザー光を入射させると、新規格の光ディスクの記録面上において球面収差を始めとする諸収差が発生してしまい、該新規格の光ディスクに対する情報の記録または再生に適したスポットを形成することができなかった。以上より、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクに対する情報の記録または再生に互換性を持つように、対物レンズのさらなる改善が望まれていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上記の事情に鑑み、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクのいずれに対する情報の記録または再生時にも各ディスクの記録面上において球面収差を抑えて良好なスポットを形成することができる光ピックアップ用対物レンズおよび該対物レンズを搭載する光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光ピックアップ用対物レンズは、少なくとも二種類の保護層厚を持つ複数の光ディスクに対して第一から第三の波長をもつ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光ピックアップ装置に搭載され、上記の第一から第三の波長のうち最も短い第一の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第一の光ディスクの保護層厚をｔ１、第一の波長よりも長い第二の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第二の光ディスクの保護層厚をｔ２、第一から第三の波長のうち最も長い第三の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第三の光ディスクの保護層厚をｔ３、とすると、
ｔ１≦ｔ２＜ｔ３
であり、第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ２、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ３、とすると、
ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３
であり、第一の波長、及び、第二の波長の光束は略平行光が、第三の波長の光束は発散光が対物レンズに入射し、前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ１、焦点距離をｆ１、第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ２、焦点距離をｆ２、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ３、焦点距離をｆ３とすると、以下の式（１）から式（３）、
−０．０２＜ｆ１×ｍ１＜０．０２・・・（１）
−０．０２＜ｆ２×ｍ２＜０．０２・・・（２）
−０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）
を満たし、
さらに、対物レンズの少なくとも１面に回折構造を有し、該回折構造の第三の波長の光束を第三の光ディスクの記録面上に収束させる第一の領域において、各光束に対する回折効率が最大となる回折次数がどれも一次であり、さらに、第一の波長の光束および第二の波長の光束をそれぞれ第一の光ディスクおよび第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ第三の波長の光束の収束には寄与しない第二の領域を有し、該第二の領域の回折効率が最大になる回折次数は、第一の波長の光束が三次、前記第二の波長の光束が二次であることが好ましい。
【００１３】
ここで、第一の光ディスクとは上述した新規格の光ディスク、より詳しくはＤＶＤよりも高容量の情報記録が可能で、情報の記録または再生には青色レーザー光を用いる光ディスクが該当する。また、第二の光ディスクとは例えばＤＶＤが該当し、第三の光ディスクとは、例えばＣＤやＣＤ−Ｒが該当する。
【００１４】
請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズは、第一の波長、及び、第二の波長の光束は略平行光が、第三の波長の光束は発散光が入射し、かつ、少なくとも１面に上記のような回折構造を有している。これにより、第一から第三の波長の光束が、各光ディスク面上に良好に収束される。
【００１５】
従来のＣＤとＤＶＤに対する情報の記録または再生にのみ対応した対物レンズでは、回折構造を持たせることで、異なる２つの波長に対して球面収差を補正することはできる。しかし、本特許のように、異なる３つの波長の場合、設計自由度が不足するために球面収差を補正することはできない。そこで、異なる３つの波長のうち、２つの波長に対しては回折構造により球面収差を補正し、残りの１つの波長に対しては対物レンズに入射する光束の発散度を異ならせることにより球面収差を補正している。
【００１６】
請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズでは、各光束について第一の領域において回折効率が最大になる回折次数が全て１次のため、回折構造で補正する２つの波長をどのように組み合わせても、球面収差の補正は可能である。有限系を利用した場合、軸外コマ収差により、トラッキング動作時の収差悪化が避けられない。情報の記録または再生に高いＮＡが要求されればされるほど、収差許容量が小さくなる。従って、請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズは、情報の記録または再生に高いＮＡが要求される第一および第二の光ディスク使用時には、対物レンズには略平行光束が入射し、比較的低いＮＡの第三の光ディスク使用時には、対物レンズには発散光束が入射するようになっている。これにより、該対物レンズがトラッキングシフトした場合であっても、第一及び第二の光ディスク使用時には、コマ収差や非点収差の発生量はほぼ無視できるほど小さくできる。なお、第一の領域は、上記の通り、第一〜第三の波長の光束を第一〜第三の光ディスクの記録面上にそれぞれ収束させるための領域で、対物レンズの光軸近傍に設けられる。
【００１７】
しかし、各光源と光ディスクとの間に配設されるカップリングレンズの焦点距離は波長差による屈折率により異なる。従って、各光源から照射された光束を共通のカップリングレンズを介して記録面に導く構成において、第一の波長の光束を照射する光源と第二の波長の光束を照射する光源が同一基板上にある場合、つまり各光源がカップリングレンズから同距離にある場合、対物レンズに入射する光束のうち第一及び第二の波長の少なくとも一方は、収束光、もしくは発散光にならざるを得ない。そこで、請求項１に記載の対物レンズは、第一、または第二の光ディスク使用時、上記の式（１）および式（２）を満たすように対物レンズの結像倍率が極力小さいことが望ましい。これにより、トラッキング動作時の収差の発生量を小さくすることができる。
【００１８】
また、請求項１に記載の対物レンズは、第三の光ディスク使用時、上記の式（３）を満たすように構成される。式（３）の上限を超えると、オーバーな球面収差が残存してしまい好ましくない。また、式（３）の下限を下回ると、アンダーな球面収差が発生してしまい好ましくない。
【００１９】
このように本発明によれば、既存の光ディスク（第二の光ディスク、第三の光ディスク）に対する情報の記録または再生時のみならず、新たな規格の光ディスク（第一の光ディスク）に対する情報の記録または再生時においても球面収差を抑えて記録面上に良好なスポットを形成することができる。
【００２０】
また、このような第二の領域を設けることにより、該第二の領域を透過する第三の波長の光束を拡散することができる。また、温度変化などによるレーザーの発振波長の変化による波面収差の劣化も抑えることができる。なお、第二の領域は、第一の領域よりも外側に設けられる。
【００２１】
さらに上記（４）式を満たす場合、上記回折構造には、第二の領域の外側に、第一の波長の光束のみを効率よく収束させる第三の領域を設けることが望ましい。該第三の領域において、第一の波長の光束に対する回折効率が最大になる回折次数は、第二の領域において第一の波長の光束に対する回折効率が最大になる回折次数とは異なるように設定される。このような第三の領域を設けることにより、該第三の領域を透過する第二及び第三の波長の光束を拡散することができる。
【００２３】
上述した光ピックアップ用対物レンズは、第一から第三の光ディスクの保護層厚ｔ１〜ｔ３に対して、
ｔ１≒０．６ｍｍ
ｔ２≒０．６ｍｍ
ｔ３≒１．２ｍｍ
を満たす光ピックアップ装置に搭載される。
【００２４】
また、第一の波長をλ１、第三の波長をλ３、第一の波長λ１に対する対物レンズの屈折率をｎ１、第三の波長λ３に対する対物レンズの屈折率をｎ３、とすると、以下の式（５）、
λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（５）
を共に満たすような三種類の光束を照射する光源を備える光ピックアップ装置に搭載される。このような光ピックアップ装置は、少なくとも二種類の保護層厚を持つ複数の光ディスクのいずれに対しても、情報の記録または再生を行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光ピックアップ用対物レンズ３０および該対物レンズ１０を搭載する光ピックアップ装置１００の実施形態を説明する。光ピックアップ装置１００は、保護層の厚みや記録密度が異なる第一から第三の光ディスクＤ１〜Ｄ３に対して互換性を有する光情報記録または再生装置に搭載される。
【００２６】
図１は、光ピックアップ装置の概略構成を表す模式図である。光ピックアップ装置は、第一〜第三光源１０Ａ〜１０Ｃ、カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃ、対物レンズ３０、ビームスプリッタ４１、４２を有する。図１に示すように、各光源１０Ａ〜１０Ｃから照射され各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃを透過した各光束は、二つのビームスプリッタ４１、４２によって共通の光路を導かれ、対物レンズ３０に入射する。対物レンズを透過した光束は、情報の記録または再生の対象となる光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面上に収束する。
【００２７】
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、図１を各光ディスク使用時における光路ごとに分けて図示した光ピックアップ装置１００の概略構成を表す図である。すなわち、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、順に、第一の光ディスクＤ１、第二の光ディスクＤ２、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時における構成図である。図１、図２において、光ピックアップ装置１００の基準軸は、図中一点鎖線で表示されている。また、第一光源１０Ａから照射された光束は実線で、第二光源１０Ｂから照射された光束は破線で、第三光源１０Ｃから照射された光束は点線で、それぞれ描かれている。図１、図２に示す状態では、対物レンズの光軸は光学系の基準軸と一致しているが、トラッキング動作などにより対物レンズの光軸が光学系の基準軸から外れる状態もある。
【００２８】
なお本実施形態では、記録密度が最も高い光ディスク（例えばＡＯＤ等の新規格の光ディスク）を第一の光ディスクＤ１、第一の光ディスクＤ１に比べて相対的に記録密度が低い（例えばＤＶＤやＤＶＤ−Ｒ等）を第二の光ディスクＤ２、記録密度が最も低い光ディスク（例えばＣＤやＣＤ−Ｒ等）を第三の光ディスクＤ３と記す。また、各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層厚をそれぞれｔ１〜ｔ３とすると、各保護層厚には、以下のような関係がある。
ｔ１≦ｔ２＜ｔ３
なお、どの光ディスクも情報の記録または再生時は、図示しないターンテーブル上に載置され回転駆動される。
【００２９】
各光ディスクＤ１〜Ｄ３のそれぞれに対して情報の記録または再生を行う場合、記録密度の違いに対応したビームスポットが得られるように、必要とされるＮＡの値を変化させる必要がある。ここで、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時に必要とされるＮＡを、それぞれＮＡ１、ＮＡ２、ＮＡ３とすると、各ＮＡには以下のような関係がある。
ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３
つまり、最も記録密度の高い第一の光ディスクＤ１に対する情報の記録または再生時には、より小径なビームスポットの形成が要求されるため、必要なＮＡが最も高くなる。
【００３０】
第一光源１０Ａは、第一の光ディスクＤ１に対して情報の記録または再生を行う際に用いられる。つまり、第一光源１０Ａは、第一の光ディスクＤ１の記録面上において最も小径のビームスポットを形成するために、三つの光源のうち最も短波長であるレーザー光（以下、第一のレーザー光という）を照射する。第三光源１０Ｃは、第三の光ディスクＤ３に対して情報の記録または再生を行う際に用いられる。つまり、第三光源１０Ｃは、第三の光ディスクＤ３の記録面上において最も大径のビームスポットを形成するために、三つの光源のうち最も長波長であるレーザー光（以下、第三のレーザー光という）を照射する。第二光源１０Ｂは、記録密度の高い第二の光ディスクＤ２に対して情報の記録または再生を行う際に用いられる。つまり、第二光源１０Ｂは、第二の光ディスクＤ２の記録面上において比較的小径のビームスポットを形成するために、第一のレーザー光よりは長波長であってかつ第三のレーザー光よりは短波長であるレーザー光（以下、第二のレーザー光という）を照射する。
【００３１】
なお、各光源１０Ａ〜１０Ｃは、それぞれ独立して異なる場所に配設されていてもよいし、単一の基板上に所定方向に並べて配設されていてもよい。各光源１０Ａ〜１０Ｃを独立して異なる場所に配設する場合、各光源１０Ａ〜１０Ｃから照射されたレーザー光は、図１に示すように、各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃを透過した後、各ビームスプリッタ４１、４２によって合成され、対物レンズ３０に導かれる。
【００３２】
対物レンズ３０は、各光源側から順に第一面３０ａと第二面３０ｂを有する。対物レンズ３０は、図１や図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように両面３０ａ、３０ｂとも非球面である両凸のプラスチック製単レンズである。上述した通り、各光ディスクＤ１〜Ｄ３は、保護層の厚さが異なり、各光ディスク使用時に用いる光束の波長も異なるので、対物レンズ３０の屈折率も異なる。このため、情報の記録または再生に使用される光ディスクによって球面収差が変化する。そこで、本実施形態においては、対物レンズ３０の少なくとも一方の面（本実施形態では面３０ａ）に光軸を中心とした複数の微細な段差を有する輪帯状の回折構造を設ける。
【００３３】
図３は、対物レンズ３０の光軸ＡＸを含む面での断面形状の第一面３０ａ近傍の拡大図である。対物レンズ３０の第一面３０ａは、以下のように形成される。第一面３０ａは、光軸の周囲に位置する第一の領域３１と、第一の領域３１の周囲に位置する第二の領域３２と、第二の領域３３の最外周からレンズ外周部（不図示）までの第三の領域３３と、を有する。第一から第三の各領域３１〜３３に形成される各輪帯状の段差は、面３０ａの内側から外側に向かって、隣接する輪帯に対して、光路長差が特定の光束の波長の略整数倍となるように形成される。
【００３４】
第一の領域３１は、第一から第三の各レーザー光がそれぞれ対応する光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面において良好に収束するような回折構造を備える。具体的には、該回折構造は、第一から第三の各レーザー光の回折効率が最大となる回折次数がどれも一次となるように設計される。すなわち、第一から第三のどの光ディスクを使用した場合であっても、第一の領域３１を透過した光束のうち各光ディスクに対する情報の記録または再生に利用される回折光は、一次回折光である。
【００３５】
第二の領域３２は、第一のレーザー光および第二のレーザー光がそれぞれ対応する光ディスクＤ１、Ｄ２の記録面において略無収差で良好に収束するような回折構造を有する。具体的には、該回折構造は、第一のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が三次、第二のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が二次となるように設計される。このように設計された第二の領域３２を透過した第三のレーザー光は、第一の領域３１を透過した第三のレーザー光と波面の位相が揃わない。つまり、第二の領域３２は、第三のレーザー光の収束には寄与しない。
【００３６】
第三の領域３３は、対物レンズ３０が、以下の式（４）または式（５）、
ｆ１×ＮＡ１＞ｆ２×ＮＡ２・・・（４）
ｆ１×ＮＡ１＜ｆ２×ＮＡ２・・・（５）
を満たす場合に設けられる領域である。
【００３７】
対物レンズ３０が式（４）を満たすときに設けられる第三の領域３３は、第一のレーザー光が第一の光ディスクＤ１の記録面において略無収差で良好に収束するような回折構造を有する。ここで、第三の領域３３は、第二の領域３２とは異なり、第二のレーザー光の収束には寄与しない。そのため、該回折構造は、第一のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が第二の領域３２における第一のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数とは異なるように設計される。該設計時には、第三の領域３３は、第一のレーザー光に対する回折効率が最大となるようにブレーズ化される。
【００３８】
対物レンズ３０が式（５）を満たすときに設けられる第三の領域３３は、第二のレーザー光が第二の光ディスクＤ２の記録面において略無収差で良好に収束するような回折構造を有する。ここで、第三の領域３３は、第二の領域３２とは異なり、第一のレーザー光の収束には寄与しない。そのため、該回折構造は、第二のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数が第二の領域３２における第二のレーザー光について回折効率が最大となる回折次数とは異なるように設計される。該設計時には、第三の領域３３は、第二のレーザー光に対する回折効率が最大となるようにブレーズ化される。
【００３９】
上記のように各領域３１〜３３の回折構造を設計することにより、上述した各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時に好適なＮＡ（ＮＡ１〜ＮＡ３）が得られる。
【００４０】
また上記のような回折構造をもつ対物レンズ３０が装置１００の基準軸上にある場合、第一の光ディスクＤ１または第二の光ディスクＤ２に対する情報の記録または再生時、対物レンズ３０を透過したレーザー光は、略無収差で各光ディスクの記録面上に収束する。しかし、対物レンズ３０がトラッキングによって該基準軸上からずれた場合、対物レンズ３０には軸外光が入射する。この際、対物レンズへ発散光が入射した場合、コマ収差等が発生してしまう。一般に、情報の記録または再生に高ＮＡが要求される光ディスクほど、収差に対する許容範囲が狭い。従って、第一の光ディスクＤ１または第二の光ディスクＤ２に対する情報の記録または再生時、対物レンズ３０がトラッキングシフトした場合であっても、諸収差の発生を抑えるために、対物レンズ３０には略平行光束を入射させる。具体的には、第一の光ディスクＤ１使用時における対物レンズ３０の結像倍率をｍ１、焦点距離をｆ１、第二の光ディスクＤ２使用時における対物レンズ３０の結像倍率をｍ２、焦点距離をｆ２、とすると、対物レンズ３０は、以下の式（１）および式（２）を満たすように設計される。
−０．０２＜ｆ１×ｍ１＜０．０２・・・（１）
−０．０２＜ｆ２×ｍ２＜０．０２・・・（２）
【００４１】
式（１）および式（２）を満たすように対物レンズ３０を設計することにより、第一の光ディスクＤ１、及び第二の光ディスクＤ２使用時に、トラッキング動作時に発生するコマ収差や非点収差を良好に抑えることができる。
【００４２】
本実施形態では、第一光源１０Ａと第二光源１０Ｂを、各光源１０Ａ、１０Ｂから照射されたレーザー光が各カップリングレンズ２０Ａ、２０Ｂによって平行光束に変換されるような位置に配設することにより、対物レンズ３０の結像倍率を０にしている。すなわち本実施形態のカップリングレンズ２０Ａ、２０Ｂは、第一のレーザー光および第二のレーザー光に対して、コリメートレンズとして機能する。
【００４３】
上記のように、収差に対する許容範囲が狭い各光ディスクＤ１、Ｄ２使用時の収差を有効に抑えるように対物レンズ３０を設計すると、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時に発生する球面収差が十分に抑えきれない。そこで、第三の光ディスクＤ３使用時に発生する球面収差は、図２（Ｃ）に示すように対物レンズ３０に入射する光束を発散光にすることにより補正する。具体的には、第三の光ディスクＤ３使用時における対物レンズ３０の結像倍率をｍ３、焦点距離をｆ３とすると、対物レンズ３０は、以下の式（３）を満たすように設計される。
−０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）
【００４４】
式（３）を満たすように対物レンズ３０を設計することにより、第三の光ディスクＤ３使用時に発生する球面収差を良好に抑えることができる。
【００４５】
なお、上述したように、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時に光束の収束に寄与する領域は、第一の領域３１のみである。従って、第一の領域３１の回折構造は、第三のレーザー光の利用効率が高くなるように第三のレーザー光の波長でブレーズ化されることが望ましい。しかし、第三のレーザー光の波長でブレーズ化された回折構造では第一のレーザー光の利用効率が下がってしまう。そこで、第一の領域３１において、最外周近傍の輪帯（第二の領域３２との境界に近い輪帯）を光軸ＡＸよりの輪帯よりも長めの波長でブレーズ化しても良い。
【００４６】
上記のような構成により、図２（Ａ）〜（Ｃ）にそれぞれ示すように、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生時、使用する光ディスクに対応する光源から照射されたレーザー光は、各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃと各ビームスプリッタ４１、４２と対物レンズ３０を介して光ディスクの記録面近傍に収束し、情報の記録または再生に好適なスポットを形成する。
【００４７】
以上説明した、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示す光ピックアップ装置１００は、使用する各レーザー光の波長を対物レンズ３０の屈折率を考慮しつつ比較した場合、回折レンズ構造による収差補正が困難な関係にある場合であっても、各光ディスクの記録面に良好なスポットを形成し、情報の記録または再生を可能にしている。該関係とは、具体的には、第一のレーザー光の波長をλ１、第三のレーザー光の波長をλ３、第一の波長λ１に対する対物レンズ３０の屈折率をｎ１、第三の波長λ３に対する対物レンズ３０の屈折率をｎ３、とすると、以下の式（６）のような関係をいう。
λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（６）
【００４８】
式（６）のような関係がある場合、本実施形態の対物レンズ３０は、記録密度が高く収差の許容範囲が狭い第一および第二の光ディスク使用時には、面３０ａに設けられた回折構造によって収差を略完全に補正し、第三の光ディスク使用時には、回折構造と対物レンズの結像倍率によって収差を補正できる。つまり光ピックアップ対物レンズ３０や装置１００は、式（６）のような関係がある複数の光ディスクに互換性を持つレンズもしくは装置といえる。
【００４９】
【実施例】
以上説明した実施形態に基づく具体的な実施例を提示する。実施例は、保護層厚が０．６ｍｍの第一の光ディスクＤ１および第二の光ディスクＤ２と、保護層厚が１．２ｍｍの第三の光ディスクＤ３との互換性を有する光ピックアップ用対物レンズ３０を搭載する光ピックアップ装置１００に関するものである。
【００５０】
実施例の光ピックアップ装置１００を表す概略図は図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示される。実施例の対物レンズ３０の具体的な仕様は、表１に示されている。
【００５１】
【表１】
表１中、設計波長とは、各光ディスクＤ１〜Ｄ３に対する情報の記録または再生の際に最も適した波長のことである。表１に示す対物レンズ３０を備える光ピックアップ装置１００の具体的数値構成は表２〜表４に示される
【００５３】
【表２】
表２〜表４は、順に、第一の光ディスクＤ１、第二の光ディスクＤ２、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時における光ピックアップ装置１００の具体的数値構成である。
【００５５】
表２〜表４中の備考に示すように、面番号０が各光源１０Ａ〜１０Ｃ、面番号１、２が各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃ、表２〜表３の面番号３、４がビームスプリッタ４１、表２〜３の面番号５、６及び表４の面番号３、４がビームスプリッタ４２、表２〜３の面番号７、８及び表４の面番号５、６が対物レンズ３０、表２〜３の面番号９、１０及び表４の面番号７、８が媒体である各光ディスクＤ１〜Ｄ３の保護層および記録面を示している。表２〜表４中、ｒはレンズ各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、ｄは情報の記録または再生時におけるレンズ厚またはレンズ間隔（単位：ｍｍ）、ｎ（Ｘｎｍ）は波長Ｘｎｍでの屈折率である。表２〜表４に示すように対物レンズ３０の第一面３０ａは、第一から第三の三つの領域からなっている。それぞれ第一から第三の各領域３１〜３３の範囲を光軸ＡＸからの高さｈで表すと、
第一の領域３１…ｈ≦１．５３、
第二の領域３２…１．５３＜ｈ≦１．８７、
第三の領域３３…１．８７＜ｈ≦１．９５、となる。
【００５６】
また、各カップリングレンズ２０Ａ〜２０Ｃの第二面、および対物レンズ３０の両面３０ａ、３０ｂは非球面である。その形状は光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の非球面の光軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非球面の光軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面係数をＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２として、以下の式で表される。
【数１】
第一の光ディスクＤ１、第二の光ディスクＤ２、第三の光ディスクＤ３に対する情報の記録または再生時における各非球面の形状を規定する円錐係数と非球面係数は、順に表５〜７に示される。
【００５８】
【表５】
なお各表における表記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を表している。以下に示す表８においても同様である。
【００６０】
さらに、対物レンズ３０の第一面３０ａに形成された回折構造は、以下の光路差関数φ（ｈ）により表される。
【数２】
光路差関数φ（ｈ）は、回折レンズの機能を光軸からの高さｈでの光路長付加量の形で表現したものである。Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、…はそれぞれ２次、４次、６次、…の係数である。該回折構造を規定する光路差関数係数Ｐ２、…は、表８に示される。ｍは第一から第三の各領域３１〜３３において各レーザー光の回折効率が最大となる回折次数を表す。回折次数ｍは使用するレーザー光によって領域ごとに異なる値が設定されており、詳しくは表９に示される。
【００６２】
【表８】
実施例の光ピックアップ装置１００の対物レンズ３０は、ｆ１×ｍ１が０．０００、ｆ２×ｍ２が０．０００、ｆ３×ｍ３が−０．１５９であり、式（１）から式（３）を満たす。また、ｆ１×ＮＡ１が１．９５、ｆ２×ＮＡ２が１．８７であり、式（４）を満たす。従って対物レンズ３０は、第二の領域３２において第一のレーザー光に対する回折効率が最大になる回折次数（３次）とは異なる最大回折次数（１次）の第三の領域３３がある。また、表１に示すように実施例の光ピックアップ装置１００は、式（６）が１：２となる。
【００６４】
図４は、光ピックアップ用装置１００において、第一のレーザー光が対物レンズ３０を透過することにより発生する球面収差を表す収差図である。同様に、図５は、第二のレーザー光が対物レンズ３０を透過することにより発生する球面収差を表し、図６は、第三のレーザー光が対物レンズ３０を透過することにより発生する球面収差を表す。図４〜６に示すように、式（６）の関係を持つ光ピックアップ装置１００は、式（１）から式（３）を満たすことにより、どの光ディスクに対する情報の記録または再生時であっても球面収差を良好に補正して、記録面上には情報の記録または再生に好適なスポットを形成することができる。
【００６５】
以上が本発明の実施例である。なお、上記の各実施例はあくまでも本発明に係る対物レンズの一例である。つまり本発明に係る対物レンズは、各実施例の具体的数値構成に限定されるものではない。例えば回折構造を設ける面は、第一面３０ａではなく、第二面３０ｂであってもよい。また、第一面と第二面の両方に回折構造を設けても良い。
【００６６】
また、表１の設計開口数も例示である。つまり本発明に係る対物レンズは、書き込み可能な第三の光ディスク使用時に必要な比較的高いＮＡ（約０．５０程度）を該ディスクＤ３に対応する設計開口数とすることができる。同様に、本発明に係る対物レンズは、第二の光ディスクＤ２に必要な高いＮＡ（約０．６５程度）を該ディスクＤ２に対応する設計開口数とすることができる。このように設計開口数を適宜変更した結果、第一の光ディスクＤ１使用時に必要なＮＡと第二の光ディスクＤ２使用時に必要なＮＡとが略一致する場合、第三の領域３３は設けなくて良い。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回折構造の回折次数を適切に設定すると共に、該回折構造で除去しきれない収差を結像倍率の調整によって良好に抑えることにより、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクのいずれに対する情報の記録または再生時にも各ディスクの記録面上において球面収差を抑えて良好なスポットを形成可能な光ピックアップ用対物レンズおよび該対物レンズを搭載する光ピックアップ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ピックアップ用対物レンズを搭載する光ピックアップ装置の概略構成を表す模式図である。
【図２】本発明の実施形態の光ピックアップ装置１００を各光ディスク使用時における光路ごとに分けて示している。
【図３】本発明の実施形態の光ディスク用対物レンズの光軸を含む面での断面形状の第一面近傍の拡大図である。
【図４】第一のレーザー光透過時に実施例の対物レンズで発生する球面収差を表す収差図である。
【図５】第二のレーザー光透過時に実施例の対物レンズで発生する球面収差を表す収差図である。
【図６】第三のレーザー光透過時に実施例の対物レンズで発生する球面収差を表す収差図である。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｃ 光源
２０Ａ〜２０Ｃ カップリングレンズ
３０ 対物レンズ
３１ 第一の領域
３２ 第二の領域
３３ 第三の領域
４１、４２ ビームスプリッタ
Ｄ１〜Ｄ３ 光ディスク
１００ 光ピックアップ装置
Claims (4)
- 少なくとも二種類の保護層厚を持つ複数の光ディスクに対して第一から第三の波長をもつ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光ピックアップ装置における対物レンズであって、
前記第一から第三の波長のうち最も短い第一の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第一の光ディスクの保護層厚をｔ１、前記第一の波長よりも長い第二の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第二の光ディスクの保護層厚をｔ２、前記第一から第三の波長のうち最も長い第三の波長の光束を用いて情報の記録または再生が行われる第三の光ディスクの保護層厚をｔ３、とすると、
ｔ１≦ｔ２＜ｔ３
であり、
前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ１、前記第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ２、前記第三の光ディスクに対する情報の記録または再生時に必要な開口数をＮＡ３、とすると、
ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３
であり、
第一の波長、及び、第二の波長の光束は略平行光が、第三の波長の光束は発散光が対物レンズに入射し、
前記第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ１、焦点距離をｆ１、前記第二の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ２、焦点距離をｆ２、前記第三の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ３、焦点距離をｆ３とすると、以下の式（１）から式（３）、
−０．０２＜ｆ１×ｍ１＜０．０２・・・（１）
−０．０２＜ｆ２×ｍ２＜０．０２・・・（２）
−０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）
を満たし、
さらに、対物レンズの少なくとも１面に回折構造を有し、
該回折構造の前記第三の波長の光束を前記第三の光ディスクの記録面上に収束させる第一の領域において、各光束に対する回折効率が最大となる回折次数がどれも一次であり、かつ、前記第一の波長の光束および前記第二の波長の光束をそれぞれ前記第一の光ディスクおよび前記第二の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ前記第三の波長の光束の収束には寄与しない第二の領域を有し、
前記第二の領域の回折効率が最大になる回折次数は、前記第一の波長の光束が三次、前記第二の波長の光束が二次であることを特徴とする光ピックアップ用対物レンズ。 - 請求項１に記載の光ピックアップ用対物レンズにおいて、
以下の式（４）、
ｆ１×ＮＡ１＞ｆ２×ＮＡ２・・・（４）
を満たし、
さらに、前記回折構造は、前記第二の領域の外側に、前記第一の波長の光束のみを収束させる第三の領域を有し、
前記第三の領域において、前記第一の波長の光束に対する回折効率が最大になる回折次数は、前記第二の領域において前記第一の波長の光束に対する回折効率が最大になる回折次数とは異なることを特徴とする光ピックアップ用対物レンズ。 - 少なくとも二種類の保護層厚を持つ複数の光ディスクに対して第一から第三の波長をもつ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光ピックアップ装置であって、
請求項１または請求項２に記載の光ピックアップ用対物レンズを有し、
前記第一から第三の光ディスクの保護層厚ｔ１〜ｔ３に対して、
ｔ１≒０．６ｍｍ
ｔ２≒０．６ｍｍ
ｔ３≒１．２ｍｍ
を共に満たすことを特徴とする光ピックアップ装置。 - 少なくとも二種類の保護層厚を持つ複数の光ディスクに対して第一から第三の波長をもつ三種類の光束を使い分けることにより、各光ディスクに対する情報の記録または再生を行う光ピックアップ装置であって、
請求項１または請求項２に記載の光ピックアップ用対物レンズと、
前記各光束を照射する光源と、を有し、
前記第一の波長をλ１、前記第三の波長をλ３、前記第一の波長λ１に対する前記対物レンズの屈折率をｎ１、前記第三の波長λ３に対する前記対物レンズの屈折率をｎ３、とすると、以下の式（５）、
λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（５）
を満たすことを特徴とする光ピックアップ装置。
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