JP4385035B2 - 対物レンズ、多波長用レンズ、多波長用光学系、光ヘッド及び光ディスク装置 - Google Patents

Description

本発明は、主にＣＤ（Compact Disc：ＣＤ−ＲなどのＣＤも含む）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）など種類が異なる光記録媒体に対応できる互換型の記録再生装置に用いる対物レンズ、汎用の多波長用レンズ、多波長用光学系、光ヘッド及び光ディスク装置に関する。

従来より、ＣＤやＤＶＤなどの種類が異なる光ディスクをともに再生することができるようにした互換型光ディスク装置が提案されている。ＣＤやＤＶＤなど（以下、これらをまとめて光ディスクという）は、いずれも透明な基板が用いられ、この透明基板の一方の面に情報記録面が設けられており、かかる基板を２枚、それらの情報記録面を向かい合わせにして、貼り合わせた構成をなすか、あるいは、かかる透明基板を透明な保護基板と、透明基板の情報記録面が保護基板と向かい合うようにして、貼り合わせた構成をなしている。かかる構成の光ディスクから光ディスク装置で情報信号を再生する場合には、光源からのレーザビームを光ディスクの情報記録面に透明基板を介して集光させる必要がある。このレーザービームは後に述べるようにＣＤとＤＶＤとでは互いに波長が異なっている。このレーザビームを集光させるために、光ディスク装置では、対物レンズが使用されているが、ＣＤでは、透明基板の厚さが1.2ｍｍ、ＤＶＤでは、透明基板の厚さが0.6ｍｍと光ディスクの種類（レーザービームの波長の違い）に応じて情報記録面が設けられている透明基板の厚さが異なるものであり、このような種類が異なる光ディスクを再生する光ディスク装置では、このように使用する光ディスクの種類に応じて透明基板の厚さが異なっても、レーザビームを情報記録面に集光させることが必要である。

このような光ディスク装置としては、ピックアップに光ディスクの種類毎に対物レンズを設け、使用する光ディスクの種類に応じて該当する対物レンズに交換したり、光ディスクの種類毎にピックアップを設け、使用する光ディスクの種類に応じてピックアップを交換したりすることが考えられるが、コストの面や装置の小型化を実現するために、対物レンズとして、光ディスクのいずれの種類にも同じレンズを用いることができるようにした光ディスク装置が提案されている。

かかる対物レンズの一代表例は、正の屈折力を有するレンズであって、半径方向に３以上の輪帯状レンズ面に区分され、１つおきの輪帯状レンズ面と他の１つおきの輪帯状レンズ面とは屈折力を異にして、同じ波長のレーザビームに対し、１つおきの輪帯状レンズ面が、例えば、薄い透明基板（0.6ｍｍ）の光ディスク（ＤＶＤ）の情報記録面にレーザビームを集光させ、他の１つおきの輪帯状レンズ面が、例えば、厚い透明基板（1.2ｍｍ）の光ディスク（ＣＤ）の情報記録面にレーザビームを集光させるようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。

また、他の代表例は、薄い透明基板のＤＶＤに対しては、短波長（635ｎｍまたは650ｎｍ）のレーザビームを使用し、厚い透明基板のＣＤに対しては、長波長（780ｎｍ）のレーザビームを使用する光ディスク装置において、これらレーザビームに共通に使用する対物レンズであって、正のパワーを有する屈折レンズの一方の面に輪帯状の微細な段差が密に設けられてなる回折レンズ構造が形成されたものである（例えば、特許文献２参照）。

かかる回折レンズ構造は、薄い透明基板のＤＶＤに対し、上記短波長のレーザビームの回折光を情報記録面に集光し、厚い透明基板のＣＤに対し、上記長波長のレーザビームの上記回折光と同一次数の回折光を情報記録面に集光するように設けられている。なお、ＤＶＤに対して上記の短波長のレーザビームを用いるのは、ＣＤに比べてＤＶＤの記録密度は高く、このために、ビームスポットを小さく絞る必要があるためである（よく知られているように、光スポットの大きさは、波長に比例し、開口数ＮＡに反比例する）。

なお、レンズ面に輪帯状位相シフタを設けた輪帯位相補正レンズ方式の対物レンズも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

これは、ＤＶＤに使用する波長λ₁が640ｎｍのレーザビームで波面収差をなくすようにしたレンズ面を基準として、半径方向に複数の輪帯状の屈折面に区分し、これら屈折面を夫々この基準レンズ面から所定の段差(レンズ中心からｉ番目の段差をｄ_iとする）をもって形成し、かかる段差ｄ_iにより、夫々の屈折面によってＤＶＤのレーザビームが基準レンズ面に対してこの波長λ₁の整数ｍ_i倍だけ位相シフトすることにより、ＣＤ系の波面収差を低減するものである。
特開平９ー１４５９９５号公報 特開２０００ー８１５６６号公報 特開２００１ー５１１９２号公報

上記いずれの従来例でも、ＤＶＤ，ＣＤともに共通の対物レンズを用いることができるから、対物レンズを含めてＤＶＤ，ＣＤ毎に使用部材を交換するための手段などが不要となり、コストの面や構成の簡略化の点で有利となるが、上記特許文献１では、ＤＶＤ、ＣＤ毎に対物レンズでの利用する輪帯状レンズ面が異なるため、入射レーザビームに対して無効となる部分が多く、光利用効率が著しく低いという問題がある。換言すれば、レンズ面の輪帯区間毎に固有の焦点を持たせたために、１つの単色光をレンズ面全域で受けてひとつの焦点に結ばせることが出来ない点で利用効率が低下しているということになる。

また、上記特許文献２では、回折レンズ構造による回折光を利用しているため、異なる波長に夫々対する回折効率を同時に100％にすることはできないという問題がある（なお、これでは、ＤＶＤに用いる短波長（635ｎｍまたは650ｎｍ）のレーザビームとＣＤに用いる長波長（780ｎｍ）のレーザビームに対し、それらの間のほぼ705ｎｍの波長で回折効率が100％となるようにして、これら使用レーザビームに対して回折効率がバランスするようにしている）。また、レンズ面に回折レンズ構造を設けるため、微小な段差が必要になるが、製造上の誤差の影響を受け易く、回折構造が設計からズレた場合、回折効率の劣化を招くことになる。このように、回折効率の劣化やそもそも回折効率が100％に達しないということは、入射光の全てを光ディスクの透明基板に設けられた情報記録面に集光することはできないことを意味しており、これが光量損失となる。

さらに、特許文献３では、即ち、輪帯位相補正レンズ方式では、光利用効率は高いが、ＤＶＤのレーザビームに対して波面収差をなくすように設計したレンズ面を基準面とし、これより、ＣＤのレーザビームに対する波面収差を低減するように、この基準面からＤＶＤのレーザビームの波長λ₁の整数ｍ_i倍の段差ｄ_iだけ窪ませて屈折面としている。しかし、もとよりＤＶＤを基準として、単なる段差を設けるだけでは、ＣＤのレーザビームに対して、波面収差を充分に低減することができていない。

本発明の目的は、かかる問題を解消し、透明基板の厚さが異なる複数種の光記録媒体夫々に対し、可及的に波面収差が低減された状態で、しかも、高い光利用効率で光ビームを情報記録面に集光させることができるようにした対物レンズの設計方法、及び対物レンズと光ヘッド，光ディスク装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、透明基板の厚さが異なる複数種類の光記録媒体毎に異なる波長の単色光の光ビームを該透明基板を介して入射させ、光記録媒体側で光ビームを集光させる正のパワーを有する対物レンズの設計方法において、光ビームの波長の違いによって発生する色収差で光記録媒体の透明基板の厚みの違いによって発生する波面収差を打ち消す関数を求め、この関数でもってレンズ面を構成するという設計方法を編み出した。

また、これにより、本発明は、透明基板の厚さが異なる複数種類の光記録媒体毎に異なる波長の光ビームが入射され、光記録媒体の該透明基板に設けられた情報記録面に該光ビームを屈折作用により集光させる正のパワーを有する対物レンズであって、光ビームの波長λの違いによって発生する色収差で光記録媒体の透明基板の厚みの違いによって発生する波面収差を打ち消すことにより、いずれの種類の光記録媒体に対しても、
該当する光ビームを該情報記録面にＲＭＳ波面収差が0.035λ以下で、好ましくは0.033λ以下で、さらに好ましくは0.030λ以下で集光させる、
あるいは、該当する光ビームを該情報記録面にＲＭＳ波面収差が、ｉ番目の光ビームの波長をλ_i（ｉ＝１，２，……）とし、波長λ_iの光ビームの波面収差をＷiとして、

（但し、ｉ番目の該光ビームの波長をλ_i（ｉ＝１，２，……）、全ての波長にわたる個々のＲＭＳ波面収差の二乗の総和をΣＷ_i ²、波長λ_iの光ビームのＲＭＳ波面収差をＷ_i・λ_iとする）
好ましくは、

（但し、ｉ番目の該光ビームの波長をλ_i（ｉ＝１，２，……）、全ての波長にわたる個々のＲＭＳ波面収差の二乗の総和をΣＷ_i ²、波長λ_iの光ビームのＲＭＳ波面収差をＷ_i・λ_iとする）
さらに好ましくは、

（但し、ｉ番目の該光ビームの波長をλ_i（ｉ＝１，２，……）、全ての波長にわたる個々のＲＭＳ波面収差の二乗の総和をΣＷ_i ²、波長λ_iの光ビームのＲＭＳ波面収差をＷ_i・λ_iとする）
さらに好ましくは、

（但し、ｉ番目の該光ビームの波長をλ_i（ｉ＝１，２，……）、全ての波長にわたる個々のＲＭＳ波面収差の二乗の総和をΣＷ_i ²、波長λ_iの光ビームのＲＭＳ波面収差をＷ_i・λ_iとする）
にて集光させる、または、該当する光ビームを該情報記録面に波長表示ＲＭＳ波面収差比が、該光ビームの波面収差のうちの最大の波面収差をＷmax、最小の波面収差をＷminとして、Ｗmax／Ｗmin≦1.8で好ましくは、Ｗmax／Ｗmin≦1.6で、さらに好ましくは、Ｗmax／Ｗmin≦1.4で集光させる対物レンズ、あるいは、複数種類の光記録媒体毎に異なる波長の光ビームが入射され、該光記録媒体の該透明基板に設けられた情報記録面に該光ビームを屈折作用により集光させる正のパワーを有する対物レンズであって、いずれの種類の光記録媒体に対しても、該当する光ビームを該情報記録面にＲＭＳ波面収差が0.035λ以下に集光させることを特徴とする対物レンズを提供するものである。このことは、一面において、換言すれば、複数種類の単色光を夫々屈折作用により集光させる多波長用レンズを含む光学系であって、レンズ面全域にわたり該単色光の固有の波長に対応した単一の焦点を有するとともに、当該焦点は、異なる所定波長の該複数種類の単色光に対応して夫々異なる所定の位置に配置されている多波長用光学系を初めて提供することを意味する。

本発明によれば、透明基板の厚さが異なる２種類以上の光ディスクに対して、回折レンズ構造を用いずに、屈折作用によって記録または再生に必要な開口（ＮＡ）で全ての光束を所望とする位置に可及的に少ない収差で集光させることができ、光利用効率をより高めることができる。

いま、厚さｔ₁の透明基板を用いた第１の光ディスクに対し、これを用いる光ディスク装置での対物レンズが良好に収差補正され、この基板に設けられた情報記録面にレーザビームが良好に集光するものとする。かかる光ディスク装置にこの透明基板とは異なる厚さｔ₂の透明基板を用いた第２の光ディスクを使用した場合、この透明基板の厚さｔ₂が厚さｔ₁と異なるために、この対物レンズと厚さｔ₂の透明基板とによって波面収差が生じ、この厚さｔ₂の透明基板に設けられている情報記録面にレーザビームが良好に集光しない。

一方、かかる対物レンズと透明基板からなる光学系に異なる波長のレーザビームを用いると、色収差が生ずるが、本発明は、かかる色収差を利用して上記の波面収差を低減するものであって、基板の厚みが異なる光ディスク毎に異なる波長のレーザビームを用い、基板の厚みが異なることによって生ずる波面収差をレーザビームの波長の違いによって生ずる色収差でもって相殺し、いずれの厚みの基板に対しても、総合的な収差が許容範囲内になるようにするものである。

このことは、基板の厚さが異なる光ディスクのいずれに対しても、その基板の厚さに対応する波長のレーザビームを用いた場合、このレーザビームの対物レンズと基板を通った全ての光線がこの基板の情報記録面上で良好に集光するような光路長を経るようにするものである。

いま、図３において、対物レンズ１を用いて基板２の情報記録面２ａにレーザビームを集光させる場合についてみる。ここで、対物レンズ１の面Ａは光入射側面、面Ｂは光出射側面であり、基板２の情報記録面２ａは対物レンズ１側とは反対側にある。

図３は、対物レンズ１に入射するレーザビームは平行光とし（従って、図３に示す光学系は、いわゆる無限光学系である）、対物レンズ１の光軸ＯＡからこれに垂直な方向の距離（光線高さ）ｈの位置Ｐ₁を通る光線が光軸ＯＡを横切る点（集光点）Ｐ₅に達するまでの光路を摸式的に示すものである。ここで、かかる光路での対物レンズ１への入射点をＰ₂、対物レンズ１からの出射点をＰ₃、透明基板２への入射点をＰ₄とし、
点Ｐ₁〜入射点Ｐ₂：空間距離＝Ｓ_1h 屈折率＝ｎ₁
入射点Ｐ₂〜出射点Ｐ₃：空間距離＝Ｓ_2h 屈折率＝ｎ₂
出射点Ｐ₃〜入射点Ｐ₄：空間距離＝Ｓ_3h 屈折率＝ｎ₃
入射点Ｐ₄〜集光点Ｐ₅：空間距離＝Ｓ_4h 屈折率＝ｎ₄
とすると、点Ｐ₁から集光点Ｐ₅までの光路長Ｌ_hは、

で表わされる。なお、光軸ＯＡ上での光路長Ｌ_hは、この数５において、ｈ＝０の場合である。

この数５は任意の光線高さｈについて該当するものであり、収差補正されている場合には、夫々の光線高さｈに対する集光点Ｐ₅が夫々の許容範囲内で情報記録面２ａ上にある。すなわち、本発明は、例えば厚さが異なる複数の基板夫々毎に異なる波長のレーザビームを用いることにより、色収差と波面収差とが相殺し合って夫々の光線高さｈに対する集光点Ｐ₅が夫々の許容範囲内で情報記録面２ａ上にあるようにするものである。本発明の実施形態としては、対物レンズ１のレンズ面形状をこれを実現する形状とするものである。これにより、基板の厚さが異なるいずれの光ディスクに対しても、情報記録面に良好な光スポットを形成することが可能となる。なお、このことは、ディスク基板の厚みが異なっていなくても、つまり、厚みが同じで波長が異なるような場合でも前記集光点Ｐ₅を夫々の許容範囲内にすることにより適用可能である。また、光記録媒体に限らず、光通信などで異なる波長のレーザービームを同一のレンズもしくは光学系を通過させるような場合にも適用可能である。

以下、本発明の実施形態を、透明基板の厚さが異なる２種類の光ディスク、即ち、ＤＶＤとＣＤとを例に、図面を用いて説明する。

図１は本発明による対物レンズの第１の実施形態の作用を示す図であって、同図（ａ）はＤＶＤに対するもの、同図（ｂ）はＣＤに対するものであり、１はこの実施形態の対物レンズ、２はＤＶＤの透明基板（以下、ＤＶＤ基板という）、３はＣＤの透明基板（以下、ＣＤ基板という）、４，５はレーザビームである。

まず、図１（ａ）において、対物レンズ１が図示しない光ディスク装置の光ヘッドに設けられており、ＤＶＤがこの光ディスク装置に装着されて、対物レンズ１によって平行光として入射されるレーザビーム４が集光されることにより、記録再生が行なわれる。ここで、ＤＶＤ基板２の厚さｔ₁は0．6ｍｍであり、このときのレーザビーム４としては、波長λ₁＝655ｎｍのレーザビームが開口数ＮＡ＝0.63の光束として用いられる。かかる条件のもとに、かかるレーザビームは、ＤＶＤ基板２の対物レンズ１側とは反対側の面の情報記録面２ａに集光される。

図１（ｂ）は上記と同じ光ディスク装置にＣＤが装着され、同じ対物レンズ１を用いて記録再生が行なわれる場合を示す。ここで、ＣＤ基板３の厚さｔ₂は1.2ｍｍであり、このときのレーザビーム５としては、波長λ₂＝790ｎｍのレーザビームがほぼ開口数ＮＡ＝0.63の光束として用いられるが、実質的には、開口数ＮＡ＝0.47の光束がＣＤ基板３の情報記録面３ａに集光し、ハッチングして示すほぼＮＡ＝0.47〜0.63の対物レンズ１の光軸ＯＡから離れた部分を通る光束はこの情報記録面３ａで集光しない。このように、この開口数ＮＡがほぼ0.47までの上記のレンズ領域は、ＤＶＤ，ＣＤの共通使用領域となる。

このように、この第１の実施形態は、ＤＶＤ，ＣＤともに収差が良好に低減されて、情報記録面２ａ，３ａで良好な光スポットが得られるようにするものであるが、このために、ＤＶＤ，ＣＤの両方共に、任意の光線高さｈに対して上記数５で示す光路長Ｌ_hが収差を低減して許容値内とするような値とするように、対物レンズ１のレンズ面形状を設定するものである。以下、かかるレンズ面形状の一具体例を図２により説明する。

図２において、対物レンズ１の光出射側面Ｂについて、光線高さｈの点をｃ、この点ｃから光軸ＯＡに平行な方向での光出射側面Ｂ上の点をｄとすると、この光出射側面Ｂの面形状は、任意の光線高さｈに対する点ｃ，ｄ間の距離Ｚ_Bにより、

で表わされるようにする。

なお、数６において、上記係数Ｃ，Ｋ，Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀の値を代入して任意の光線高さｈ（≠０）に対する距離Ｚ_Bを求めると、その値は負の値となるが、これは光出射側面Ｂ上の点ｄが点ｃ、従って、この光出射側面Ｂの光軸ＯＡが通る面頂点ｅよりも入射面側（図２での左側）に位置することを示している。距離Ｚ_Bが正の値である場合には、逆の右側に位置することを示している。

次に、対物レンズ１の光入射側面Ａについて、光線高さｈの点をａ、この点ａから光軸ＯＡに平行な方向での光入射側面Ａ面上の点をｂとすると、光入射側面Ａの面形状は、光線高さｈ（ｍｍ）とこの光線高さｈに対する点ａ，ｂ間の距離Ｚ_A（ｍｍ）とが次の表１に示す関係となるレンズ面形状に設定される。

対物レンズ１の上記数６で表わされる光出射側面Ｂも、また、上記表１の点列データで表わされる光入射側面Ａも、連続した非球面をなすものである。また、対物レンズ１の光軸上の面頂点ｆ，ｅ間の距離、即ち、中心厚ｔ₀は２.２ｍｍであって、波長λ₁＝655ｎｍ(ＤＶＤ）での屈折率ｎは1.54014であり、波長λ₂＝790ｎｍ（ＣＤ）での屈折率ｎは1.5365である。

（ｉ）ここで、収差を評価するための上記の収差の許容値としては、対物レンズ１への入射レーザビームが入射角０゜である場合（即ち、光軸ＯＡに平行な平行光）について、ＤＶＤ（波長λ₁＝655ｎｍ），ＣＤ（波長λ₂＝790ｎｍ）ともに、ＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差で0.035λ、好ましくは、0.033λ、さらに好ましくは、0.030λとする。この第１の実施形態では、ＤＶＤ，ＣＤの波面収差がかかる許容値以下となるように、光出射面Ｂと光入射面Ａを上記の面形状に設定しているものである。

この第１の実施形態では、２種類の異なる波長λ₁，λ₂を用いた場合を示しているが、一般に、ｎ種類（但し、ｎは２以上の整数）の異なる波長λ_i（但し、ｉ＝１，２，……，ｎ）を用いる場合も、同様である。

(ii)また、このようにｎ種類の波長λ_iを用いた場合について、これら波長λ_iの入射レーザビームが入射角０゜である場合の夫々の波面収差をＷ_iとすると、これら収差は、

（但し、ｉ番目の該光ビームの波長をλ_i（ｉ＝１，２，……）、全ての波長にわたる個々のＲＭＳ波面収差の二乗の総和をΣＷ_i ²、波長λ_iの光ビームのＲＭＳ波面収差をＷ_i・λ_iとする）
を満足するようにする。このときの許容値Ｗ₀としては、0.028、好ましくは0.026，さらに好ましくは0.025、さらに好ましくは0.023とする。上記第１の実施形態では、ＤＶＤの波面収差をＷ₁、ＣＤの波面収差をＷ₂とし、かつｉ＝１，２であるから、上記数７は、

となる。

(iii）あるいはまた、異なるｎ種類の波長λ_iのレーザビームを用いる場合、夫々の波長λ_iのうちで最大の波面収差をＷmax、最小の波面収差をＷminとすると、
１≦Ｗmax／Ｗmin＜Ｗ_th
とする。この場合の許容値Ｗ_thとしては、1.8、好ましくは1.6、さらに好ましくは1.4とする。上記第１の実施形態の場合には、ＤＶＤの波面収差Ｗ₁とＣＤの波面収差Ｗ₂とのいずれか一方が最大波面収差Ｗmaxとなり、他方が最小波面収差Ｗminとする。

図４はこの第１の実施形態でのＲＭＳ波面収差の測定結果を示すものであって、横軸に像高（ｍｍ）を取り、縦軸にＲＭＳ波面収差を取っている。ここで、入射角は０゜であり、像高＝０ｍｍは入射ビームが平行光であることを示しており、像高が大きくなるほど、平行光からずれてくることになる。

図４（ａ）はＤＶＤ（波長λ₁＝655ｎｍ）に対するＲＭＳ波面収差を示しており、像高＝０ｍｍのときには、ＲＭＳ波面収差＝0.02130λ₁であった。また、図４（ｂ）はＣＤ（波長λ₂＝790ｎｍ）に対するＲＭＳ波面収差を示しており、像高＝０ｍｍのときには、ＲＭＳ波面収差＝0.02410λ₂であった。

かかる数値を評価するために、上記の各条件式に挿入すると、
（ｉ）まず、ＤＶＤ，ＣＤについて、ＲＭＳ波面収差が0.02130λ，0.02410λと上記の許容値0.035λ、好ましくは、0.033λ、さらに好ましくは、0.030λよりも小さい。

（ii）ＤＶＤ，ＣＤについて、上記数８により、

であるから、上記の許容値0.028、好ましくは0.026，さらに好ましくは0.025、さらに好ましくは0.023以下となっている。

(iii)ＤＶＤ，ＣＤについて、Ｗmax／Ｗminをみると、
Ｗmax／Ｗmin＝0.02410／0.02130＝1.1315
となるから、上記の許容値1.8、好ましくは1.6、さらに好ましくは1.4以下となっている。

図５は上記数６で示す面形状の光出射側面Ｂと上記表１で示す面形状の入射側面Ａとを有する対物レンズ１を用いたことによるＤＶＤ，ＣＤの情報記録面上での光スポットの計算結果に示す図であって、横軸は情報記録面での光軸を基準点とした光軸に垂直方向の位置を距離（ｍｍ）で表わしたものであり、縦軸はこの基準点（＝0ｍｍ）での光強度を１としたときの各位置の相対的光強度を表わしている。

図５（ａ）はＤＶＤに対する光スポットを示すものであって、相対的光強度が1／e²（＝13.5％）となる光スポット直径φ_Dは0.85μｍである。また、図５（ｂ）はＣＤに対する光スポットを示すものであって、相対的光強度が1／e²となる光スポット直径φ_Cは1.37μｍであった。このように、ＤＶＤ，ＣＤともに、情報記録面に良好な光スポットが得られるものであった。

次に、本発明による対物レンズの第２の実施形態について説明する。

この第２の実施形態は、その基本的構成は上記の第１の実施形態と同様であるが、光入射面Ａを光軸から半径方向に複数の区間に区分し、夫々の区間の面形状を、ＤＶＤ，ＣＤともに収差が許容値内に良好に低減されるように、設定するものである。

この第２の実施形態の光入射面Ａの面形状を図２を用いて説明する。いま、この光入射面Ａの光線高さｈ方向（半径方向）の光軸ＯＡ側からｊ番目の区間での点ａ，ｂ間の距離を次の関数Ｚ_Ajで、即ち、

で表わされる。なお、数１０での光源高さｈは、ｊ番目の区間でのものである。

そして、ＤＶＤ，ＣＤともに収差を許容値内に良好に低減するための数１０での区間毎に、その範囲(ｈの範囲）とその各定数B，C，K，A₄，A₆，A₈，A₁₀，A₁₂，A₁₄，A₁₆を示すと、次の表２に示すようになる。

また、この第２の実施形態での光出射面Ｂの面形状Ｚ_Bは、次の数１１で表わされる。

また、対物レンズ１の光軸上の面頂点ｆ，ｅ間の距離、即ち、中心厚さｔ₀は2.2ｍｍであって、波長λ₁＝655ｎｍ（ＤＶＤ）での屈折率ｎは1.604194であり、波長λ₂＝790ｎｍ（ＣＤ）での屈折率ｎは1.599906である。

ここで、収差を評価するための上記収差の許容値としては、上記第１の実施形態と同様である。

図６はこの第２の実施形態でのＲＭＳ波面収差の測定結果を示すものであって、横軸，縦軸は図４と同様である。

図６（ａ）はＤＶＤ（波長λ₁＝655ｎｍ）に対するＲＭＳ波面収差を示しており、像高＝０ｍｍのときには、ＲＭＳ波面収差＝0.01945λ₁であった。また、図６（ｂ）はＣＤ（波長λ₂＝790ｎｍ）に対するＲＭＳ波面収差を示しており、像高＝０ｍｍのときには、ＲＭＳ波面収差＝0.02525λ₂であった。

かかる数値を評価するために、第１の実施形態と同様、上記の各条件式に挿入すると、
（ｉ）まず、ＤＶＤ，ＣＤについて、ＲＭＳ波面収差が0.01945λ₁，0.02525λ₂と上記の許容値0.035λ、好ましくは、0.033λ、さらに好ましくは、0.030λよりも小さい。

（ii）ＤＶＤ，ＣＤについて、上記数８により、

であるから、上記の許容値0.028、好ましくは0.026，さらに好ましくは0.025、さらに好ましくは0.023以下となっている。

(iii)ＤＶＤ，ＣＤについて、Ｗmax／Ｗminをみると、
Ｗmax／Ｗmin＝0.02525／0.01945＝1.298
となるから、上記の許容値1.8、好ましくは1.6、さらに好ましくは1.4以下となっている。

図７は上記数１１で示す面形状の光出射側面Ｂと上記数１０及び表２で示す面形状の入射側面Ａとを有する対物レンズ１を用いたことによるＤＶＤ，ＣＤの情報記録面上での光スポットの計算結果に示す図であって、横軸，縦軸は図５と同様である。

図７（ａ）はＤＶＤに対する光スポットを示すものであって、相対的光強度が1／e²（＝13.5％）となる光スポット直径φ_Dは0.89μｍである。また、図７（ｂ）はＣＤに対する光スポットを示すものであって、相対的光強度が1／e²となる光スポット直径φ_Cは1.30μｍであった。このように、ＤＶＤ，ＣＤともに、情報記録面に良好な光スポットが得られるものであった。

なお、一例として、先の特開２００１ー５１１９２号公報に記載のＤＶＤとＣＤとの収差をみると、
ＤＶＤ：0.001λ₁ ＣＤ：0.047λ₂
ＤＶＤ：0.019λ₁ ＣＤ：0.037λ₂
但し、λ₁＝640ｎｍ λ₂＝780ｎｍ
の２つの例が挙げられているが、いずれにおいても、ＣＤについては、上記の許容値0.035λを越えるものである。また、これらの

は、上記夫々について、0.0332，0.0294となり、いずれも上記の許容値0.028、好ましくは0.026，さらに好ましくは0.025、さらに好ましくは0.023を越えているし、さらに、これらのＷmax／Ｗminも夫々、47，1.947となり、いずれも上記の許容値1.8、好ましくは1.6、さらに好ましくは1.4を越えている。

このように、上記第１，第２の実施例とも、収差を上記の許容値内に抑えることができるものであるが、これは、収差がかかる許容値内に収まるように、波面収差が色収差でキャンセルし合うレンズ面形状としていることによるものである。これに対し、先の特開２００１ー５１１９２号公報では、単に入射レーザビームをＤＶＤレーザビームの波長の整数倍分位相シフトすることにより、ＣＤの収差低減を図るようにしたものであるから、いずれか１つの波長に対しては、収差を充分小さく抑えることができるとしても、全ての波長に対して、上記のような小さい値の許容値内に収差を同時に納めることができないのである。

以上の実施形態では、ＤＶＤとＣＤとで基板厚さが夫々0.6ｍｍと1.2ｍｍと異なることによる波面収差が655ｎｍと790ｎｍとの波長の差による色収差により打ち消して総合的な収差が低減されていることが、図５及び図７に示す光スポット及び図４，図６に示す波面収差のグラフから明らかである。また、以上の実施形態では、対物レンズ１の光入射側面Ａの面形状は上記表１に示す点列データ，数１０及び表２で与えられ、光出射側面Ｂの面形状は上記数６，数１１に示す非球面の式により与えられるので、先の従来例のような回折レンズ構造を用いておらず、また、記録または再生に必要な開口（ＮＡ）に対してほぼ全ての光束を集光することができるので、高い光利用効率が得られることになる。

なお、以上の実施形態では、図１に示すように、ほぼ開口数ＮＡ＝0.47から開口数ＮＡ＝0.63までの対物レンズ１の外側領域はＤＶＤのみに使用され、ＣＤでは使用しないので、かかる外側領域での光入射側面Ａ，光出射側面Ｂのいずれか一方または双方にＤＶＤのときの波長655ｎｍの光を透過し、ＣＤのときの波長790ｎｍの光を透過しない薄膜処理を施したり、あるいは、かかる外側領域での光入射側面Ａ，光出射側面Ｂのいずれか一方または双方に波長655ｎｍの光には作用しないが、波長790ｎｍの光に作用するような回折格子を形成して、波長655ｎｍの光利用効率を落とさずに、波長790ｎｍの光利用効率を落とすようにしてもよい。

即ち、以上の実施形態のごとく、異なる開口数の系に共用する際に、開口数に応じた絞りを設定できない場合には、開口数の小さな光学系においては、余分の光束をも受容することになるので、開口数の大きな光学系に合致して設計されたレンズの外側領域部分を通過する光が、開口数が小さな光学系に悪影響を及ぼさないような配慮をすることが望ましい。例えば、レンズの外側領域を通過した光がディスク面には集光しないように、横収差量が0.015ｍｍ以上となるようにするのが望ましい。

また、以上の実施形態では、ＤＶＤとＣＤとの２種類の光ディスクを例としたが、本発明は、これに限らず、これら以外の種類が異なる光ディスクであってもよいし、また、基板の厚みが異なる３種類以上の光ディスクに対しても、適用可能であり、夫々毎に使用するレーザビームの波長を異ならせ、これらに応じて、色収差が波面収差を打ち消すように、レンズ面形状を設定すればよい。

図８は本発明による対物レンズを用いた光ヘッドの一実施形態を示す構成図であって、１１はＤＶＤレーザ、１２はＣＤレーザ、１３，１４はハーフプリズム、１５はコリメータレンズ、１６は検出レンズ、１７は光検出器、１８は回析格子、１９はアクチュエータであり、図１に対応する部分には同一符号をつけている。

同図において、ＤＶＤディスク２を記録または再生する場合には、ＤＶＤレーザ１１を駆動する。ＤＶＤレーザ１１から発生される波長655ｎｍのレーザビームが、ハーフプリズム１３で反射し、ハーフプリズム１４を透過してコリメータレンズ１５に入射する。コリメータレンズ１５を通過して平行光となってレーザビームは、対物レンズ１に入射して集光され、ＤＶＤディスク２の情報記録面に光スポットを形成する。そして、ＤＶＤディスク２で反射した反射光が対物レンズ１により平行光となり、コリメータレンズ１５に入射する。コリメータレンズ１５はこの平行光を収束光にし、この収束光はハーフプリズム１４，１３を透過し、検出レンズ１６を通って光検出器１７に到達する。光検出器１７の検出出力信号は信号処理回路（図示せず）に供給され、情報記録再生信号やフォーカス誤差信号，トラッキング誤差信号が得られる。図示しないシステム制御回路は、得られたフォーカス誤差信号とトラッキング誤差信号をもとに、適正なフォーカス位置とトラッキング位置に対物レンズ１が位置するように、アクチュエータ駆動回路（図示せず）を制御してアクチュエータ１９を駆動する。

ＣＤディスク３を記録または再生する場合には、ＣＤレーザ１２を駆動する。ＣＤレーザ１２から発生される波長790ｎｍのレーザビームが回折格子１８を通り、ハーフプリズム１４で反射されてコリメータレンズ１５に入射する。コリメータレンズ１５を通過して平行光となったレーザビームは、対物レンズ１に入射して集光され、ＣＤディスク３の情報記録面に光スポットを形成する。そして、ＣＤディスク３で反射した反射光が対物レンズ１により平行光となり、コリメータレンズ１５に入射する。コリメータレンズ１５はこの平行光を収束光にし、この収束光はハーフプリズム１４，１３を透過し、検出レンズ１６を通って光検出器１７に到達する。光検出器１７の検出出力信号は図示しない信号処理回路に供給され、情報記録再生信号やフォーカス誤差信号，トラッキング誤差信号が得られる。

なお、ＣＤディスク３の場合のトラッキング誤差信号は、ＣＤレーザ１２からのレーザビームを、回折格子１８により、０次光と土１次光の３ビームに分岐し、これら±１次光によりトラッキング誤差信号を得るようにしている。

このようにして得られたトラッキング誤差信号とフォーカス誤差信号とにより、ＤＶＤディスク２と同様にして、適正なフォーカス位置とトラッキング位置に対物レンズ１が位置するように、アクチュエータ１９を駆動する。

なお、本発明において、対物レンズ１の代わりに、コリメータレンズ１５あるいはハーフプリズム１４など両ディスクに共通する光学系において、本発明における対物レンズと同様の機能を持つように光学設計することもできる。また、図示しないが、本発明の対物レンズと同等の機能を有する他の光学要素をハーフプリズム１４からディスク２またはディスク３に至る光路に配置することによってもよい。

なお、コリメータレンズ１５は必ずしも必要ではなく、いわゆる有限系の光学系でも、本発明は適用可能である。

図９は本発明による対物レンズを用いた光ディスク装置の一実施形態を示す構成図であって、２０はアクチュエータ駆動回路、２１は信号処理回路、２２はレーザ駆動回路、２３はシステム制御回路、２４はディスク判別手段であり、図８に対応する部分には同一符号をつけている。

同図において、光ピックアップ装置部分については、図８に示す構成と同様である。

まず、装着されたディスクの種類をディスク判別手段２４により判別する。そのディスク判別方法としては、ディスクの基板の厚さを光学的もしくは機械的な方法で検出する方法、ディスクまたはディスクのカートリッジに予め記録された識別マークを検出する方法などが考えられる。もしくは、ディスクの厚さ，種類を仮定してディスクの信号を再生し、正常な信号が得られなければ、別の厚さ，種類のディスクであると判断する方法でもよい。ディスク判別結果は、ディスク判別手段２４からシステム制御回路２３に伝達される。

ＤＶＤディスクであると判別された場合には、システム制御回路２３よりレーザ駆動回路２２に対してＤＶＤレーザを点灯させるような信号が伝達され、レーザ駆動回路２２によりＤＶＤレーザ１１が点灯される。これにより、光ヘッドでは、図８に示した実施形態と同様に、波長655ｎｍのレーザビームが光検出器１７に到達する。この光検出器１７からの検出信号が信号処理回路２１に送られて情報記録再生信号とフォーカス誤差信号とトラッキング誤差信号とが生成され、システム制御回路２３に送られる。システム制御回路２３では、これらフォーカス誤差信号とトラッキング誤差信号とに基づいて、アクチュエータ駆動回路２０を制御し、この制御に基づいてアクチュエータ駆動回路２０がアクチュエータ１９を駆動して対物レンズ１をフォーカス方向及びトラッキング方向に移動させる、いわゆるサーボ回路の動作により、フォーカス制御及びトラッキング制御が正規に行なわれて、対物レンズ１がＤＶＤディスク２に対して正しい位置に位置するように、上記の各回路及びアクチュエータ１９が動作するものとし、その結果、情報記録再生信号が良好に得られる。

装着されたディスクがＣＤディスク３であると判別された場合には、システム制御回路２３より、レーザ駆動回路２２に対してＣＤレーザ１２を点灯させるような信号が伝達される。これにより、ＣＤレーザ１２から波長790ｎｍのレーザビームが発生する。これ以降の動作は図８に光ヘッドの場合と同様であり、このレーザビームが光検出器１７に到達し、上記のＤＶＤディスク２の場合と同様に、各回路やアクチュエータ１９が作動してサーボ動作が行なわれ、情報記録再生信号が良好に得られる。

本発明による対物レンズの第１の実施形態を示す図である。 図１に示す第１の実施形態のレンズ面形状の一具体例を示す図である。 対物レンズと光ディスクの透明基板とからなる光学系での光路長を説明するための図である。 図１に示す第１の実施形態の第１の実施形態の波面収差の測定結果の一具体例を示すグラフ図である。 図１に示す第１の実施形態を用いた光ディスク装置での種類が異なる光ディスクに対する光スポットの計算結果を示す図である。 本発明による対物レンズの第２の実施形態の波面収差の測定結果の一具体例を示すグラフ図である。 本発明による対物レンズの第２の実施形態を用いた光ディスク装置での種類が異なる光ディスクに対する光スポットの計算結果を示す図である。 本発明による光ヘッドの一実施形態を示す図である。 本発明による光ディスク装置の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 実施形態の対物レンズ
２ ＤＶＤの透明基板
２ａ 情報記録面
３ ＣＤの透明基板
３ａ 情報記録面
４，５ レーザビーム
１１ ＤＶＤレーザ
１２ ＣＤレーザ
１３，１４ ハーフプリズム
１５ コリメータレンズ
１６ 検出レンズ
１７ 光検出器
１８ 回析格子
１９ アクチュエータ
２０ アクチュエータ駆動回路
２１ 信号処理回路
２２ レーザ駆動回路
２３ システム制御回路
２４ ディスク判別手段

Claims (1)

1. 透明基板の厚さが異なる複数種類の光記録媒体毎に異なる波長の単色光の光ビームを該透明基板を介して入射させ、該光記録媒体の該透明基板に設けられた情報記録面に集光させる正のパワーを有する対物レンズであって、
   該異なる複数種類の光記録媒体の情報記録面上に集光させる異なる波長の光ビームが通るレンズ面領域が、光軸を中心とする同心円状の複数の区間に区分され、
   該区間に夫々、該光ビームの波長λの違いによって発生する色収差と該光記録媒体の透明基板の厚みの違いによって発生する波面収差とが相殺し合う非球面のレンズ面形状を設定したことを特徴とする対物レンズ。

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