JP4394136B2 - 位相補償板つきピックアップレンズ及びそれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数種類の単色光を用いる多波長用光学系であって、例えば、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ：ＣＤ−ＲなどのＣＤも含む）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ブルーレイ、ＨＤ−ＤＶＤ（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＤＶＤ）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られうる位相補償板つきピックアップレンズおよびそれを用いた光ピックアップに関する。

従来より、ＣＤやＤＶＤなど、数種の光ディスクを一つの装置で記録あるいは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。

このような互換型光ディスク装置では、ＣＤやＤＶＤなど（以下、これらをまとめて光ディスクという）それぞれの光ディスクに記憶された情報信号を記録あるいは再生するために、光源からのレーザビームをそれぞれの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。しかしながら、（１）ＣＤの記録あるいは再生時に用いられるレーザビームの波長とＤＶＤの記録あるいは再生時に用いられるレーザビームの波長とは異なり、（２）ＣＤの透明基板の厚さは１．２ｍｍであるのに対してＤＶＤの透明基板の厚さは０．６ｍｍであるため、従来から用いられている集光レンズを、そのまま互換型光ディスク装置においてＣＤとＤＶＤで共用したのでは、前記（１）及び（２）を起因として発生する収差により、ＣＤとＤＶＤでそれぞれ用いられるレーザビームをそれぞれの光ディスクの情報記録面に回折限界近くまで集光させることができない。

また、近年提案されている超高密度記録対応の光ディスク（ブルーレイ、ＨＤ−ＤＶＤ）対応の装置は、情報の記録あるいは再生のために波長４０５ｎｍ程度の青色レーザを用いている。したがって、今後の互換型光ディスク装置では、ＣＤやＤＶＤの記録あるいは再生だけではなく、超高密度記録対応の光ディスクの記録あるいは再生もできることが期待される。すなわち、従来の互換型光ディスク装置では、２種類の光源波長と２種類の厚さが異なる透明基板を考慮していたが、今後の互換型光ディスク装置では、最大３種類の光源波長と最大３種類の厚さが異なる透明基板を考慮する必要があるということになる。

かかる場合、互換型光ディスク装置としては、その構成部品であるピックアップに、光ディスクの種類毎に収差が発生しないような集光レンズを設け、使用する光ディスクの種類に応じて集光レンズを交換したり、あるいは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。しかしながら、コストの面や装置の小型化を実現するためには、集光レンズとして、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することが望ましい。

かかる集光レンズの第１の例として、特許文献１に記載のものがある。当特許文献１によると、第２光媒体に情報を記録再生する波長λ１の光源と、第１光媒体に情報を記録再生する波長λ２（λ１＜λ２）の光源と、第１光媒体及び第２光媒体よりも厚い基板の第３光媒体に情報を記録再生する波長λ３（λ２＜λ３）の光源と、各光源からの光束を各光媒体に集光させる集光レンズとを備え、第２光媒体に記録再生する際には、波長λ１の光束を集光レンズ１に平行光として入射し、第１光媒体に記録再生する際には、波長λ２の光束を集光レンズに平行光として入射し、第３光媒体に記録再生する際には、波長λ３の光束を集光レンズに発散光として入射することを特徴とする。

この文献に記載された集光レンズは、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。かかる回折レンズ構造は、平行光束として集光レンズに入射された（以下、無限系という）波長λ１のレーザビームを厚さの薄い基板を有する第２光媒体の情報記録面に集光させ、さらには無限系の波長λ２のレーザビームを同じ厚さの基板を有する第１光媒体の情報記録面に集光させるように設計されている。

一方、集光レンズは波長λ３に関してなんら考慮されていないため、波長λ３のレーザビームで第３光媒体に情報を記録再生する場合には波面収差が発生する。そのため、当該レーザビームを平行光束にコリメートするのではなく、発散光として集光レンズへ入射させる（以下、有限系という）。その入射光の発散度合い、すなわち幾何光学的にいう集光レンズにとっての物体距離を変えることにより球面収差が変化することを用いている。

かかる集光レンズの第２の例として、特許文献２に記載のものがある。当特許文献２によると、第１光媒体に情報を記録再生する波長λ１の光源と、第２光媒体に情報を記録再生する波長λ２（λ１＜λ２）の光源と、第３光媒体に情報を記録再生する波長λ３（λ２＜λ３）の光源と、各光源からの光束を各光媒体に集光させる集光レンズとを備え、第１光媒体に記録再生する際には、波長λ１の光束を集光レンズ１に平行光として入射し、第２光媒体に記録再生する際には、波長λ２の光束を集光レンズに発散光として入射し、第３光媒体に記録再生する際には、波長λ３の光束を集光レンズに発散光として入射することを特徴とする。

この場合の集光レンズは、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。ただし、この集光レンズは、波長λ１では無限系とし、波長λ２及びλ３では有限系として設計されている。これは文献２にも開示されているように、λ２及びλ３で有限系とし、第２、第３の光ディスクに対して発散光束を入射するようにすると、回折構造が補正しなくてはならない異なる種類の光ディスクの基板厚さの違いに起因して発生する収差量を軽減することができるので、隣り合う輪帯の間隔を広げることができ、輪帯形状の製造誤差による回折効率の低下を緩和できるからである。

さらに当特許文献２によると、第１光媒体に情報を記録再生する波長λ１の光源と、第２光媒体に情報を記録再生する波長λ２（λ１＜λ２）の光源と、第３光媒体に情報を記録再生する波長λ３（λ２＜λ３）の光源と、各光源からの光束を各光媒体に集光させる集光レンズとを備え、第１光媒体に記録再生する際には、波長λ１の光束を集光レンズ１に平行光として入射し、第２光媒体に記録再生する際には、波長λ２の光束を集光レンズに平行光として入射し、第３光媒体に記録再生する際には、波長λ３の光束を集光レンズに平行光として入射することを特徴とする。

この場合の集光レンズは、波長λ１と第１光媒体の基板厚に対してのみ波面収差が小さくなるように設計されており、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は形成されていない。そのため、波長λ２で第２光媒体に情報を記録する場合には波面収差が発生するが、同心円状の複数の輪帯からなる回折構造が形成されたカップリングレンズを波長λ２の光のみが通過する光路中に用い、このカップリングレンズにより波面収差を補正する。同様に波長λ３で第３光媒体に情報を記録する場合には波面収差が発生するが、同心円状の複数の輪帯からなる回折構造が形成されたカップリングレンズを波長λ３の光のみが通過する光路中に用い、このカップリングレンズにより波面収差を補正する。別の手法として、波長λ２と波長λ３からなる２波長レーザを用いて、前記同心円状の複数の輪帯からなる回折構造が形成されたカップリングレンズを波長λ２と波長λ３で共用とする手段も開示されている。
特開２００４−６００５号公報 特開２００４−７９１４６号公報

上記従来例でも、共通の集光レンズを用いることができるから、集光レンズを含めて各種光ディスクごと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。

しかしながら、上記特許文献１では、波長λ３のレーザビームで第３光媒体に情報を記録再生する場合には、有限系を用いて発生する収差を補正しているが、波長λ１のレーザビームで第２光媒体に情報を記録再生する場合、さらには波長λ２のレーザビームで第１光媒体に情報を記録再生する場合の、無限系の光学系と部品を共有化することが難しく、また、λ１、λ２、λ３の波長を一つの素子として有する３波長レーザを用いる場合では、特に波長λ３のレーザビームで第３光媒体に情報を記録再生する場合にのみ有限系にするのは困難であり、これら理由により簡素な光学系を実現することができないといった問題点があった。この問題点では、特許文献２記載の波長λ１のレーザビームで第１光媒体に情報を記録再生する場合のみ有限系とする場合でも同じである。

さらには、発散光を集光レンズに入射して、当集光レンズをアクチュエータに搭載してトラッキングサーボを行った場合には、集光レンズの光軸と入射光の光軸のずれに起因する有限系特有の収差が発生して光ディスクの情報記録面にレーザビームを十分に集光できない等といった問題点があった。

一方、特許文献２には全てを無限系で構成する手法も開示されているが、波長λ２又は波長３の光のみが通過する光路中に、波面収差を補正するためのカップリングレンズを挿入する必要があり、上記３波長レーザを用いる場合には、光学系の構成が複雑になってしまうといった問題点があった。

本発明の目的は、上記問題を解消することにある。すなわち、使用波長が異なる複数種の光ディスク夫々に対し、簡素な光学系で、できるだけ波面収差が低減された状態を保証し、しかも、アクチュエータでトラッキングサーボを行った場合でも集光レンズの光軸と入射光の光軸のずれに起因する有限系特有の収差が発生しないような、位相補償板つきピックアップレンズおよびそれを用いた光ピックアップを提供することにある。

本発明に係るピックアップレンズは、対物レンズと位相補償板で構成され、波長が異なる３つのレーザビームを用い、波長λ１のレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に記録再生し、波長λ２のレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に記録再生し、波長λ３のレーザビームで基板厚さｔ３の情報記録媒体に記録再生するためのピックアップレンズであって、前記対物レンズの少なくとも１つの面に同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１のレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差と、波長λ２のレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差の、双方を低減するような、相互に異なる非球面形状が個別に設定され、前記位相補償板の少なくとも１つの面に同心円状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１と波長λ２のレーザビームに対しては不感であり、一方、波長λ３のレーザビームに対しては、波長λ３のレーザビームを前記対物レンズに直接入射したときに発生する波面収差を低減するように、波面の位相ずれが個別に設定されている。

ここで、前記位相補償板は、電気的に動作させるかさせないかを制御可能な液晶収差補正素子であることが望ましい。

また、前記位相補償板は、同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、当該輪帯毎に段差を設けて位相ずれを発生させる素子であることが望ましい。

さらに、前記位相補償板の少なくとも１つの面に形成された輪帯は、波長λ１のレーザビームに対しては絶対値が０．１λ１より小さい波面の位相ずれを発生させ、かつ波長λ２のレーザビームに対しては絶対値が０．１λ２より小さい波面の位相ずれを発生させることが好ましい。

また、前記位相補償板の輪帯における段差Ｄは、波長λ１のレーザビームに対する位相補償板の屈折率をｎ１としたとき、Ｄ＝α×λ１／（ｎ１−１）で表わすことができ、この式においてαは、整数又は整数±０．１の範囲であることが望ましい。

さらに、波長λ３のレーザビームで基板厚さｔ３の情報記録媒体に記録再生する場合における波面収差を０．０４０λｒｍｓ以下にすることが好ましい。

また、波長λ１、λ２、λ３は、λ１＜λ２＜λ３の関係を満たすことが好ましい。例えば、波長λ１が略４０５ｎｍ、波長λ２が略６５５ｎｍ、波長λ３が略７９０ｎｍ、基板厚さｔ１が略０．１ｍｍ、基板厚さｔ２が略０．６ｍｍ、基板厚さｔ３が略１．２ｍｍである。

若しくは、波長λ１が略４０５ｎｍ、波長λ２が略６５５ｎｍ、波長λ３が略７９０ｎｍ、基板厚さｔ１が略０．６ｍｍ、基板厚さｔ２が略０．６ｍｍ、基板厚さｔ３が略１．２ｍｍである。

また、前記位相補償板において、波長λ１のレーザビームに対して発生する波面の位相ずれの絶対値が、波長λ２のレーザビームに対して発生する波面の位相ずれの絶対値よりも小さいことが好ましい。

特に、前記３つのレーザビームのいずれもが平行光として入射され、対応する情報記録媒体に集光することが望ましい。

本発明にかかる光ピックアップ装置は、波長λ１、λ２、λ３の波長が異なる光源と、位相補償板と、対物レンズとを備え、各々厚さｔ１、ｔ２、ｔ３の基板を有する情報記録媒体に記録再生を行う光ピックアップ装置であって、前記対物レンズの少なくとも１つの面に同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１のレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差と、波長λ２のレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差の、双方を低減するような、相互に異なる非球面形状が個別に設定され、前記位相補償板の少なくとも１つの面に同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１と波長λ２のレーザビームに対しては不感であり、一方、波長λ３のレーザビームに対しては、波長λ３のレーザビームを前記対物レンズに直接入射したときに発生する波面収差を低減するように、波面の位相ずれが個別に設定されたものである。

ここで、前記対物レンズは、３つのレーザビームのいずれもが平行光として入射され、対応する情報記録媒体に集光することが好ましく、さらに、前記波長λ１のレーザビーム、前記波長λ２のレーザビーム及び前記波長λ３のレーザビームの全てに対して共通の検出系を備えていることが好ましい。

本発明によれば、異なる波長でかつ異なる種類のディスクに対して、それぞれ任意の光線高さを通る光路間で収差が少ない状態とするように集光レンズの非球面形状及び、収差補正板での位相補償量を設定することにより、それぞれの光ディスクに対して十分に収差が低減された状態を保証することができる。また、全てのレーザビームを無限系として光学系を構成することができるため、ある特定の波長のレーザビームについて集光レンズにとっての物体距離を変える必要はなく、複数の波長を有する多波長レーザにおいても容易な光学系で実現できるとともに、当該レンズを搭載したアクチュエータでトラッキングサーボを行った場合でも、有限系特有の収差が発生しないため光ディスクの情報記録面にレーザビームを十分に集光できる等といった利点がある。

発明の実施の形態１．
以下、本発明に従う第一の実施の形態について詳説する。図１は、本発明に従う光ピックアップの一例を示したものである。概説すると、３波長レーザ１００は、ＨＤ−ＤＶＤ用の光源（波長λ＝４０５ｎｍ）、ＤＶＤ用の光源（λ＝６５５ｎｍ）、ＣＤ用の光源（λ＝７９０ｎｍ）を備える。３波長レーザ１００から出射されたレーザ光１０１は、それぞれ一定の発散角を有する発散光であり、偏光ビームスプリッタ１０２を通過して、コリメータレンズ１０３によって略平行光に変換される。その平行光が本発明の特徴であるレンズモジュール１０４に供給されて、光ディスク１０９の情報記録面に回折限界近くまで集光される。光ディスク１０９の情報記録面で反射されたレーザビームはさらにレンズモジュール１０４を通じて偏光ビームスプリッタ１０２に供給されて、偏光ビームスプリッタ１０２によって反射された後、検出器１１０によって光電変換される。光ディスク装置は、この光電変換によって得られる電気信号に基づいてフォーカスサーボ信号、トラックサーボ信号、及び再生信号などを生成する。なお、ＨＤ−ＤＶＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用の光ディスクの透明基板厚は、それぞれ０．６ｍｍ、０．６ｍｍ、１．２ｍｍである。

次に、本発明の特徴であるレンズモジュール１０４について詳細に説明する。本実施の形態で示したレンズモジュール１０４は、制限開口１０５と、位相補償板１０６と、１／４波長板１０７と、集光レンズ１０８からなる。フォーカスサーボ時、及びトラッキングサーボ時には、レンズモジュール１０４が一体となって図示されないアクチュエータにより動作する。

制限開口１０５は、従来から用いられている素子であり、レンズモジュール１０４の実効開口数を決定する。すなわち、光ディスク１０９がＨＤ−ＤＶＤである場合は、レンズモジュール１０４の実効開口数が約０．６５となるように制限開口１０５が動作し、光ディスク１０９がＤＶＤである場合は、レンズモジュール１０４の実効開口数が約０．６０となるように制限開口１０５が動作し、光ディスク１０９がＣＤである場合は、レンズモジュール１０４の実効開口数が約０．４４となるように制限開口１０５が動作する。制限開口１０５としては、例えば特開平９−５４９７７公報記載の波長選択フィルタを用いればよい。

位相補償板１０６は、集光レンズ１０８により低減しきれない波面収差成分を低減するように補償するものであり、本実施の形態においては光ディスクがＣＤである場合のみその動作をするような素子である。その詳細は後述する。

１／４波長板１０７は、レーザ光の直線偏光を円偏光に変換するための素子である。 集光レンズ１０８は、レーザビームを光ディスク１０９の情報記録面に集光する役割を果たす素子であり、図２に示したようにその片面は不連続な非球面形状を有する。この不連続な非球面形状は、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力抑えるように決定される。その具体的な決定法については、先に出願されている特開２００４−１２７５１０公報に記載されている。

図８、図９、図１０は、図１中に示したレンズモジュール１０４とディスク１０９のレンズデータであり、図８はＨＤ−ＤＶＤ、図９はＤＶＤ、図１０はＣＤの場合に相当する。本実施の形態の位相補償板１０６としては、後で述べるように液晶収差補正素子を用いるので、その材質はガラス相当とした。なお、集光レンズ１０８の材質はプラスチック相当とし、ディスク１０９の透明基板はポリカーボネイト（ＰＣ）とした。これら材質の波長ごとの屈折率は、図８、図９、図１０に示したとおりである。また、「ＡＩＲ」とは面と面との間が空気で満たされていることを意味する。

図１に示したようにレンズモジュール１０４には１／４波長板１０７をも含むが、１／４波長板１０７は、単に光の偏光面を操作する機能のみを有する平板素子であり、レンズモジュール１０４を構成する他の光学素子の面形状を決定するにあたって影響を及ぼすものではないため、図８、図９、図１０の各レンズデータにおいては簡便のためにその記載を省略した。

図１１、図１２、図１３は、集光レンズ１０８の非球面形状を数式で表現したものである。一般的に、図２９に表した座標系において、レンズの非球面の形状は、いわゆるサグｚの表現で下記数１のように表される。なお、ｃ＝１／Ｒである。

この数１のパラメータを用いて、集光レンズ１０８の物体側の面を表記すると、図１１、図１２、図１３で示したようになる。すなわち、図２に示したように集光レンズ１０８の物体側の面は不連続な非球面形状を有するので、その不連続な非球面形状を構成する領域ごとにその非球面形状が表記される。図１１、図１２、図１３中の「領域の範囲」とは各領域において数１で表される非球面形状が有効なレンズ半径（単位はｍｍ）を表す。また、図１１、図１２、図１３中の「Ｂ」は光軸上のサグ量（単位はｍｍ）を表す。連続な非球面形状からなる像側の面は図１３で表される。なお、図１１、図１２、図１３で表される各パラメータの値はＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定された結果である。

図１１、図１２、図１３に示すように、集光レンズ１０８の物体側の面は１０個の輪帯状の領域からなり、光軸を含む領域からレンズ外側方向へ数えて７番目までの領域は、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録再生時において共に使用する領域であることから、以下、ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ共通使用領域と呼び、また８番目から１０番目までの領域は、ＨＤ−ＤＶＤでのみ使用する領域であることから、以下、ＨＤ−ＤＶＤ専用使用領域と呼ぶことにする。

図１４には、図１１、図１２、図１３に示した各非球面部において、第１区間の概略の光路長を基準とした時にＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ共通使用領域とＨＤ−ＤＶＤ専用使用領域に相当する第２〜１０区間の概略光路長が、それぞれ概略で波長λの何倍ずれているかが示されている。

図１４よりわかるように、第２〜１０区間が波長４０５ｎｍのＨＤ−ＤＶＤに対しては２ｍλの差、波長６５５ｎｍのＤＶＤ及び波長７９０ｎｍのＣＤに対してはｍλの差（ｍは整数）となっている。これは、短い方の波長λ１が３８０〜４３０ｎｍの間に、長い方の波長λ２が波長６３０〜６８０ｎｍの間にあり、λ３が波長７９０ｎｍ付近にあるので、上記した概略光路長の差の関係を満足しやすいためである。

不連続な非球面形状の最適化を行った場合のＨＤ−ＤＶＤの波面収差分布の計算結果を図３に、ＤＶＤにおける波面収差分布の計算結果を図４に示す。図３と図４は共に情報記録面上で生じている波面収差を光線追跡により集光レンズ１０８の瞳面での波面収差に換算したものであり、横軸は集光レンズの半径で規格化した集光レンズの規格化半径を示す。ＨＤ−ＤＶＤにおける波面収差のｒｍｓ値は０．０３４、ＤＶＤにおける波面収差のｒｍｓ値は０．０３５となり、いずれの場合も光ディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができる。

一方で、ＣＤの波面収差分布の同様の計算結果は図５の実線に示したようになる。かかる波面収差のｒｍｓ値は０．１７７であり、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの場合と比べると格段に大きく、ＣＤの場合にはディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができない。これは、集光レンズ１０８の不連続な非球面形状が、あくまでもＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力抑えるように決定されたに過ぎず、ＣＤの波面収差に関してはなんら考慮されていないからである。しかしながら、集光レンズ１０８の面形状によって波面収差を制御できる波長の数は最大２個までであり、２種類以上の波長に対して波面収差を低減するためにはさらに別な手段を用いる必要がある。なお、図５の実線で示した波面収差分布が不連続点を含むのは、集光レンズ１０８の片面にＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力抑えるための不連続な非球面形状があるためである。

位相補償板１０６は、ＣＤの記録あるいは再生時に集光レンズ１０８により低減しきれない図５の実線で示した波面収差成分を低減する役割を果たす。すなわち位相補償板１０６は、その透過するレーザビームに図５中の破線で示した位相差と逆符号の位相差を与え、結果として図７に示したような波面収差となるような動作をする。以下、位相補償板１０６の動作について説明する。

位相補償板１０６の例を図２に示した。位相補償板１０６は複数の同心円状の位相補正要素からなり、各位相補正要素ではそれぞれレーザビームに与える位相差量が異なる。図２に示したように同心円状の位相補正要素を位相補償板１０６の中心のほうからｐ１、ｐ２、・・・、ｐｎとし、その各外延をｂ１、ｂ２、・・・、ｂｎとすると、本実施の形態では、各位相補正要素で与える位相差を、ｐ１＝０λ、ｐ２＝−０．１２λ、ｐ３＝−０．２４λ、ｐ４＝−０．３６λ、ｐ５＝−０．４８λ、ｐ６＝−０．３６λ、ｐ７＝−０．２４λ、ｐ８＝−０．１２λ、ｐ９＝０λとした場合、各位相補正要素の外延は、ＣＤの記録あるいは再生時における制限開口１０５の半径で規格化した規格化半径でいうと、ｂ１＝０．２０４、ｂ２＝０．２６２、ｂ３＝０．３６３、ｂ４＝０．５０７、ｂ５＝０．５４９、ｂ６＝０．６０１、ｂ７＝０．６５１、ｂ８＝０．６７４、ｂ９＝１となる（図５、図６参照）。

図７は、ＣＤの記録あるいは再生時に集光レンズ１０８により低減しきれない図５の実線で示した波面収差成分を位相補償板１０６を用いて低減した場合の波面収差の計算結果を示す。補償前の波面収差のｒｍｓ値が０．１７７であったのに対して、補償後の波面収差のｒｍｓ値が０．０４０であり、大幅に改善されているのがわかる。今回、各位相補正要素で与える位相差を、−０．１２λの倍数としたが、例えば−０．１０λの倍数とすれば、さらに波面収差のｒｍｓ値を低減することが可能である。ただし、位相補償板１０６をさらに多くの各位相補正要素で構成しなければならない。さらには、今回、各位相補正要素で与える位相差を、ある値の倍数としたが、必ずしも各位相補正要素で与える位相差をある値の倍数にしなければならないわけではない。例えば、各位相補正要素の外延ｂ１、ｂ２、・・・、ｂｎを集光レンズ１０８の不連続点ａ１、ａ２、・・・、ａｍ（図２参照）と極力一致しないように設定する方法もある。かかる場合、位相補償板１０６と、集光レンズ１０８との位置ずれに対しても許容度が増す点で有利である。

また、位相補償板１０６は、光ディスクがＣＤの場合のみ、上記位相差を発生するものでなければならない。ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤについては、集光レンズ１０８の不連続な非球面形状によって波面収差が小さくなるように設計されているからであって、かかる場合、位相補償板１０６は逆に波面収差を増大させてしまう。したがって、位相補償板１０６は機械的に光路中に抜き差しできるか、または電気的に動作させるかさせないかを制御できるものでなければならない。この後者の例としては、特開平１０−２６９６１１公報記載の液晶収差補正素子を用いればよい。

なお、集光レンズ１０８に１つの波長に対してのみ波面収差を低減させるような作用を持たせ、他の２つの波長について低減しきれない波面収差については、２つの波長各々について波面収差を補償するように最適化された上記位相補償板１０６を２つ用いる方法も考えられる。しかし、位相補償板は有限の透過率を有するので、２つ用いた場合には、１つを用いる場合よりも透過率の面で不利となる。

発明の実施の形態２．
以下、本発明に従う第二の実施の形態について詳説する。第一の実施の形態では、位相補償板として機械的に光路中に抜き差しできるか、または電気的に動作させるかさせないかを制御できる素子が必要であり、その例として液晶補償板を位相補償板として用いている。一方、本第二の実施の形態では、位相補償板を機械的に光路中に抜き差ししたり、あるいは電気的な動作制御をする必要はなく、また、第一の実施の形態に比べて本発明のレンズモジュールの構成が非常に簡単になるという特徴を有する。

図１５は、本発明に従う光ピックアップの一例を示したものである。概説すると、３波長レーザ１００は、ＨＤ−ＤＶＤ用の光源（波長λ＝４０５ｎｍ）、ＤＶＤ用の光源（λ＝６５５ｎｍ）、ＣＤ用の光源（λ＝７９０ｎｍ）を備える。３波長レーザ１００から出射されたレーザ光１０１は、それぞれ一定の発散角を有する発散光であり、偏光ビームスプリッタ１０２を通過して、コリメータレンズ１０３によって略平行光に変換される。その平行光は、１／４波長板１２５によってレーザ光１０１の直線偏光が円偏光となるようにされた後、本発明の特徴であるレンズモジュール１２０に供給されて、光ディスク１０９の情報記録面に回折限界近くまで集光される。光ディスク１０９の情報記録面で反射されたレーザビームはさらにレンズモジュール１２０を通じて、１／４波長板１２５によって光の偏光が円偏光から入射光の偏光面に対して９０度回転した直線偏光となるようにされる。その後、偏光ビームスプリッタ１０２に供給されて、偏光ビームスプリッタ１０２によって反射された後、検出器１１０によって光電変換される。光ディスク装置は、この光電変換によって得られる電気信号に基づいてフォーカスサーボ信号、トラックサーボ信号、及び再生信号などを生成する。なお、ＨＤ−ＤＶＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用の光ディスクの透明基板厚は、それぞれ０．６ｍｍ、０．６ｍｍ、１．２ｍｍである。

次に、本発明の特徴であるレンズモジュール１２０について詳細に説明する。本実施の形態で示したレンズモジュール１２０は、制限開口１２１と、位相補償板１２２と、集光レンズ１２３からなる。フォーカスサーボ時、及びトラッキングサーボ時には、レンズモジュール１２０が一体となって図示されないアクチュエータにより動作する。

なお、第一の実施の形態と異なり、１／４波長板１２５はレンズモジュール１２０には含まれない。これは、第一の実施の形態で位相補償板１０６として用いた液晶収差補正素子は偏光特性を有するがゆえに１／４波長板１０７を位相補償板１０６の後段に配置する必要があるのに対して、第二の実施の形態で位相補償板１２２として用いる素子は、偏光特性を有さず、１／４波長板１２５の光路上の配置位置は位相補償板１２２では制限されない。一方、レンズモジュール１２０は一体となって図示されないアクチュエータにより動作するため、レンズモジュール１２０は小型かつ軽量のほうが、フォーカスサーボ、及びトラッキングサーボの特性が向上する。そのため、第二の実施の形態では、１／４波長板１２５は、レンズモジュール１２０の外で、かつレンズモジュール１２０よりも前段に配置し、第一の実施の形態に比べてレンズモジュール１２０の構成の簡素化も図っている。

制限開口１２１は、レンズモジュール１０４の実効開口数ＮＡを決定する。ただし、第一の実施の形態と異なり、制限開口１２１は、その開口が可動ではなく固定の物を用い、その開口径は、光ディスク１０９がＨＤ−ＤＶＤである場合の実効開口数ＮＡ＝約０．６５となるように定められる。具体的には、開口径＝２×ＮＡ×レンズ焦点距離の関係から、レンズ焦点距離＝３．１０２ｍｍであるから、制限開口１２１の開口径＝４．０３２ｍｍとなる。

一方、光ディスク１０９がＤＶＤである場合、あるいはＣＤである場合には、第一の実施の形態で述べたように、一般的には各々所定の開口径に変える必要があるから、その開口制御の手法が問題となる。この問題を解決するために、まず光ディスク１０９がＤＶＤである場合には、レンズモジュール１２０の実効開口数ＮＡが約０．６２９となるように設計する。そうすると、レンズ焦点距離＝３．２０５ｍｍとの関係で、ＨＤ−ＤＶＤで必要となる制限開口１２１の開口径＝４．０３２ｍｍと同じとなる。したがって、開口径＝４．０３２ｍｍである固定開口の制限開口１２１をＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤとで併用できるので、ＤＶＤである場合には開口制御は問題とならない。一方、光ディスク１０９がＣＤである場合は、後で詳説する位相補償板１２２にＣＤ用の開口制限の機能をも併せ持たせ、この開口制御の問題を解決する。ＣＤの場合の開口制御については位相補償板１２２の説明で詳しく述べる。

位相補償板１２２は、集光レンズ１２３により低減しきれないＣＤの波面収差成分を低減するように補償するものであり、本実施の形態では、第一の実施の形態とは異なり位相補償板１２２を機械的に光路中に抜き差ししたり、あるいは電気的な動作制御をする必要はなく、光ディスク１０９がＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤのいずれであっても、光路中に固定して据え置いて用いればよい。ここでは概略を述べるにとどめ、その詳細はＣＤの場合の開口制御と共に後述する。

集光レンズ１２３は、レーザビームを光ディスク１０９の情報記録面に集光する役割を果たす素子であり、図２８に示したようにその片面は不連続な非球面形状を有する。この不連続な非球面形状は、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定される。

図２０、図２１、図２２は、図１５中に示したレンズモジュール１２０とディスク１０９のレンズデータであり、図２０はＨＤ−ＤＶＤ、図２１はＤＶＤ、図２２はＣＤの場合に相当する。本実施の形態における位相補償板１２２の材質はプラスチック相当とし、集光レンズ１２３の材質はプラスチック相当とし、ディスク１０９の透明基板はポリカーボネイト（ＰＣ）とした。これら材質の波長ごとの屈折率は、図２０、図２１、図２２に示したとおりである。また、「ＡＩＲ」とは面と面との間が空気で満たされていることを意味する。

図２３、図２４、図２５は、集光レンズ１２３の非球面形状を数式で表現したものである。数１のパラメータを用いて、集光レンズ１２３の物体側の面を表記すると、図２３、図２４、図２５で示したようになる。すなわち、図２８に示したように集光レンズ１２３の物体側の面は不連続な非球面形状を有するので、その不連続な非球面形状を構成する領域ごとにその非球面形状が表記される。図２３、図２４、図２５中の「領域の範囲」とは各領域において数１で表される非球面形状が有効なレンズ半径（単位はｍｍ）を表す。また、図２３、図２４、図２５中の「Ｂ」は光軸上のサグ量（単位はｍｍ）を表す。連続な非球面形状からなる像側の面は図２５で表される。なお、図２３、図２４、図２５で表される各パラメータの値はＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定された結果である。

図２３、図２４、図２５に示すように、集光レンズ１２３の物体側の面は９個の輪帯状の領域からなり、第二の実施の形態では、すべての領域は、ＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録再生時において共に使用する領域であることから、全てＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ共通使用領域となる。

図２６には、図２３、図２４、図２５に示した各非球面部において、第１区間の概略の光路長を基準とした時にＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ共通使用領域に相当する第２〜９区間の概略光路長が、それぞれ概略で波長λの何倍ずれているかが示されている。

図２６よりわかるように、第２〜９区間が波長４０５ｎｍのＨＤ−ＤＶＤに対しては２ｍλの差、波長６５５ｎｍのＤＶＤ及び波長７９０ｎｍのＣＤに対してはｍλの差（ｍは整数）となっている。これは、短い方の波長λ１が３８０〜４３０ｎｍの間に、長い方の波長λ２が波長６３０〜６８０ｎｍの間にあり、λ３が波長７９０ｎｍ付近にあるので、上記した概略光路長の差の関係を満足しやすいためである。

位相補償板１２２は、図２８に示したように光軸を中心とする輪帯構造を有し、各輪帯ごとで光に与える位相差が異なることを特徴とする。この効果は、輪帯ごとに光軸方向へのそれぞれ異なった深さＤを与えて、階段状の輪帯構造を位相補償板１２２に設けることにより実現できる。ただし、λ１＝４０５ｎｍの波長光を基準光とし、その基準光に対応する位相補償板１２２の材料の屈折率ｎ１との関係に基づいて、輪帯深さＤは、Ｄ＝α×λ１／（ｎ１−１）の式を満足するように定める。前式中のαは整数である。これは、λ１＝４０５ｎｍの基準光が、ある輪帯を通過する場合としない場合とで、実質的な波面の位相がずれないように輪帯深さＤを設定するものである。即ち、この式を満足する位相補償板１２２は、ＨＤ−ＤＶＤの波長光に対して不感となる。
さらに、深さＤにより生じるＤＶＤの波長λ２での位相差Δφ２は、φ２＝Ｄ／λ２、φ２'＝ｎ２・Ｄ／λ２としたとき、次の通り表わすことができる。
Δφ２＝φ２−φ２'
＝（ｎ２−１）Ｄ／λ２
＝α（λ１／λ２）（ｎ２−１）／（ｎ１−１）
このΔφ２の値が整数に近くなるようにαを選ぶと、位相補償板１２２はＤＶＤの波長光に対して不感に近い状態になる。
また、深さＤにより生じるＣＤの波長λ３での位相差Δφ３は、次の通り表わすことができる。
Δφ３＝φ３−φ３'
＝（ｎ３−１）Ｄ／λ３
＝α（λ１／λ３）（ｎ３−１）／（ｎ１−１）
このとき、ＣＤの波長光に対しては、位相差は位相補償板１２２で補償することができるため、Δφ３は整数近くである必要はなく、経験上次式を満たすことが望まれる。
Δφ３≦０．２０
これらの条件をそれぞれ満足するように、パラメータ値を変えて計算を繰り返し、最適な値を求める。本実施の形態では、整数αは、１０の倍数、即ち１０、２０、３０・・・がこれらの条件を満足することが確認された。

さらに深さＤは、λ２＝６５５ｎｍの波長とその対応する位相補償板１２２の材料の屈折率ｎ２との関係から、λ２＝６５５ｎｍの波長の光が、ある輪帯を通過する場合としない場合とで、できるだけ波面の位相がずれないように設定される。
上記条件下、本実施の形態においては、整数αは、１０の倍数となるように設定した。なお、整数αは、前記λ１、ｎ１、λ２、ｎ２の関係によって決まる値であるから、使用する光源の波長やレンズ材料等によっては必ずしも１０の倍数に限るものではなく、また、本実施の形態においても、１０の倍数以外にも例えば２０の倍数とすることもできる。なお、深さＤは、λ２＝６５５ｎｍの波長を基準光として設定してもよい。

本実施の形態においては、整数αは、１０の倍数から選択することになるが、各輪帯ごとの具体的な整数αの値は、上記条件を満たす範囲で、最終的に、上記集光レンズ１２３に対してＣＤで用いる波長λ３＝７９０ｎｍのレーザ光を平行光で入射させた場合に、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定される。

なお、上述の例では、Ｄ＝α×λ１／（ｎ１−１）の式において、αを整数としたが、これに限らない。図４７、図４８は、それぞれαが１０と２０の場合において、α＝１０、２０を中心としてその前後の値としたときに位相ずれの値をプロットしたものである。図４７に示されるように、α＝１０の場合に位相ずれ（Ｅｒｒｏｒλｎ）の値が０．１未満であることを条件とすると、αの値が９．９〜１０．１がこの条件を満足することがわかった。また、図４８に示されるように、α＝２０の場合に位相ずれ（Ｅｒｒｏｒλｎ）の値が０．１未満であることを条件とすると、αの値が１９．９４〜２０．１がこの条件を満足することがわかった。概ねαの値は整数値±１０％であれば、位相ずれを所望の範囲内に抑制できる。

図２７は、上記手法によって最適化された位相補償板１２２の構造を示す図である。輪帯数は１８であり、各輪帯の深さＤは、図２７に示すとおりである。ただし、位相補償板１２２は、図２７に示すように、光軸を含む輪帯から数えて１７番目までの輪帯まで（ｂ１７＝１．５１６２ｍｍ）で、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるようにし、その外側の１８番目の輪帯においては、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差があえて大きくなるようにその面形状と輪帯の深さＤを定める。１８番目の輪帯は、ＣＤの記録あるいは再生時の開口制限の機能を持たせるためである。本実施の形態においては、１８番目の輪帯のＤを０とした。なお、位相補償板１２２の各輪帯を構成する面は、光軸に対して垂直な平面とした。

以上のように最適化された図１５の光学系において、ＨＤ−ＤＶＤの波面収差分布の計算結果を図１６に、ＤＶＤにおける波面収差分布の計算結果を図１７に示す。図１６と図１７は共に情報記録面上で生じている波面収差を光線追跡により集光レンズ１２３の瞳面での波面収差に換算したものであり、横軸は集光レンズの半径で規格化した集光レンズの規格化半径を示す。ＨＤ−ＤＶＤにおける波面収差のｒｍｓ値は０．０３６、ＤＶＤにおける波面収差のｒｍｓ値は０．０３４となり、いずれの場合も光ディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができる。

図１９は、ＣＤにおける瞳面での波面収差分布の計算結果を示す。一方、図１８は、１７番目の輪帯に相当する部分までを抜き出した、ＣＤにおける瞳面での波面収差分布の計算結果を示す。図１８と図１９から位相補償板１２２の１７番目の輪帯に相当する範囲内では、おおむね良好な波面収差特性を示しているが、一番外側の１８番目の輪帯に相当する範囲では波面収差が大きくなっていることがわかる。これは、先に述べたように位相補償板１２２は、図２７に示すように、光軸を含む輪帯から数えて１７番目までの輪帯までで、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力抑えるように設計されるのに対して、その外側の１８番目の輪帯の設計においては、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差が大きくなるようにその面形状と深さＤを定めたからである。この場合、波面収差が大きくなる１８番目の輪帯に相当する領域を通過したＣＤで用いる波長λ３＝７９０ｎｍのレーザ光は、その収差が大きいために、いわゆるフレア光となって拡散するので、光ディスク１０９の情報記録面に回折限界近くまで集光されない。一方、光軸を含む輪帯から数えて１７番目までの輪帯までを通過したＣＤで用いる波長λ３＝７９０ｎｍのレーザ光は、その収差が十分小さいので、光ディスク１０９の情報記録面に回折限界近くまで集光される。

具体的には、図１８に基づいて、ディスク１０９上にスポットを形成するのに寄与する１７番目の輪帯（ｂ１７＝１．５１６２ｍｍ、図２８参照）に相当する部分までの波面収差を計算すると、そのｒｍｓ値は０．０３１となる。すなわちＣＤにおいては、位相補償板１２２の一番外側の１８番目の輪帯は開口制限の役割を果たし、１から１７番目の輪帯を通過した光によって光ディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができる。かかる場合、ＣＤ実効開口径＝２×ｂ１７＝３．０３２ｍｍとレンズ焦点距離＝３．２２６ｍｍの関係から、ＣＤのＮＡは０．４７となる。

このように、位相補償板１２２の一番外側の１８番目の輪帯はＣＤのときには開口制限の役割を果たすことがわかる。

一方、位相補償板１２２の輪帯構造は、１８番目の輪帯をも含め、λ１＝４０５ｎｍの波長の光については、位相補償板１２２の輪帯構造により位相差が生じないように、またλ２＝６５５ｎｍの波長の光については、位相補償板１２２の輪帯構造によりできるだけ位相差が生じないように最適化されていることは、先に述べたとおりである。そのため、λ１＝４０５ｎｍの波長の光、及びλ２＝６５５ｎｍの波長の光において、位相補償板１２２をそのまま用いたとしても、ＨＤ−ＤＶＤやＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を顕著に増大させるものではない。

具体的には、ＨＤ−ＤＶＤの波面収差分布の計算結果は図１６に、ＤＶＤにおける波面収差分布の計算結果は図１７に示すが、これらの結果は、位相補償板１２２をも含めた結果であり、集光レンズ１２３の瞳面の全面で十分に小さい波面収差値が得られていることを示すものである。

すなわち、一番外側の１８番目の輪帯も含め位相補償板１２２の全ての輪帯は、λ１＝４０５ｎｍの波長の光、及びλ２＝６５５ｎｍの波長の光に対して開口制限のような働きをせず、位相補償板１２２の一番外側の輪帯は、ＣＤのときにのみ開口制限の役割を果たすことになる。

なお、ＣＤのときにのみ開口制限として機能する位相補償板１２２の一番外側の輪帯については、そのフレア特性を向上させるために、複数の輪帯で構成してもよい。

このように、第二の実施の形態に従えば、（１）各ディスクに対応した可変開口を用いる必要はなく、（２）位相補償板についても、それを機械的に光路中に抜き差ししたり、あるいは電気的な動作制御をする必要はなく、（３）１／４波長板は静的な位相板よりも前段に配置できるのでレンズモジュールと一体化する必要はなく、第一の実施の形態に比べて本発明のレンズモジュールの構成が非常に簡単になるといった利点を有する。

なお、上記第一の実施の形態及び第二の実施の形態は、超高密度記録対応の光ディスクとしてＨＤ−ＤＶＤを考慮したものであるが、ブルーレイを考えた場合でも、同様に設計することにより実現することができる。ただし、かかる場合は、必要とする実効開口数の関係から集光レンズ上にブルーレイ専用使用領域が必ず存在するため、ブルーレイ専用使用領域にＤＶＤの開口制限機能を持たせることが有効である。この場合、第二の実施の形態で述べたように位相補償板にＣＤの開口制限機能を持たせることにより、可変の制限開口を用いる必要がなくなるからである。なお、専用使用領域にＤＶＤの開口制限機能を設ける手法については、ＤＶＤの波長のみフレア光として拡散させる作用を持つ構造を設けるなど、従来の設計手法に従って実現可能である。

発明の実施の形態３．
以下、本発明に従う第三の実施の形態について詳説する。上記第一及び第二の実施の形態においては、集光レンズの物体側の面は不連続な非球面形状を有していた。これは、前述したようにＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑える目的で設けられた形状である。一方、本第三の実施の形態における集光レンズの物体側と像側の面は、連続な非球面形状を有しており、位相補償板の片面にＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑える目的で不連続な非球面形状を設け、もう一方の面には、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑える目的で、光軸を中心とする輪帯構造を設け、各輪帯ごとで光に与える位相差が異なるようにする。

本第三の実施の形態は、集光レンズの面に不連続な非球面形状を形成することが困難な場合において特に有効である。例えば、ブルーレイの記録あるいは再生においては、位相補償板と集光レンズからなるレンズモジュールの実効開口数は、約０．８５程度の値を必要とする。かかる場合、レンズ曲率の観点などから、集光レンズの材質にはできるだけ屈折率の大きい材料を用いることが望ましく、ガラス系の材料が好適である。しかし、ガラス系の材料は屈折率は大きいが、融点が一般的に６００度以上と高いため、その温度に耐えうるレンズ成型の金型として、金型表面に微細構造を刻むことが難しい超硬の金型を必要とする。すなわち、屈折率の大きいガラス系の材料をレンズの材質として用いる場合には、集光レンズの面に不連続な非球面形状を形成することが困難となる。

そこで、本第三の実施の形態では、ブルーレイの記録あるいは再生において、不連続な非球面形状を形成することが困難なガラスレンズを用いる場合について説明する。

図１５は、本発明に従う光ピックアップの一例を示したものである。概説すると、３波長レーザ１００は、ブルーレイ用の光源（波長λ＝４０５ｎｍ）、ＤＶＤ用の光源（λ＝６５５ｎｍ）、ＣＤ用の光源（λ＝７９０ｎｍ）を備える。３波長レーザ１００から出射されたレーザ光１０１は、それぞれ一定の発散角を有する発散光であり、偏光ビームスプリッタ１０２を通過して、コリメータレンズ１０３によって略平行光に変換される。その平行光は、１／４波長板１２５によってレーザ光１０１の直線偏光が円偏光となるようにされた後、本発明の特徴であるレンズモジュール１２０に供給されて、光ディスク１０９の情報記録面に回折限界近くまで集光される。光ディスク１０９の情報記録面で反射されたレーザビームはさらにレンズモジュール１２０を通じて、１／４波長板１２５によって光の偏光が円偏光から入射光の偏光面に対して９０度回転した直線偏光となるようにされる。その後、偏光ビームスプリッタ１０２に供給されて、偏光ビームスプリッタ１０２によって反射された後、検出器１１０によって光電変換される。光ディスク装置は、この光電変換によって得られる電気信号に基づいてフォーカスサーボ信号、トラックサーボ信号、及び再生信号などを生成する。なお、ブルーレイ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用の光ディスクの透明基板厚は、それぞれ０．１ｍｍ、０．６ｍｍ、１．２ｍｍである。

次に、本発明の特徴であるレンズモジュール１２０について詳細に説明する。本実施の形態で示したレンズモジュール１２０は、制限開口１２１と、位相補償板１２２と、集光レンズ１２３からなる。フォーカスサーボ時、及びトラッキングサーボ時には、レンズモジュール１２０が一体となって図示されないアクチュエータにより動作する。

なお、第一の実施の形態と異なり、１／４波長板１２５がレンズモジュール１２０には含まれないことは、第二の実施の形態と同様である。これは、第三の実施の形態で位相補償板１２２として用いる素子は、第二の実施の形態と同様に偏光特性を有さず、１／４波長板１２５の光路上の配置位置は位相補償板１２２では制限されないからである。これにより、第一の実施の形態に比べてレンズモジュール１２０の構成の簡素化も図れる。

制限開口１２１は、レンズモジュール１０４の実効開口数ＮＡを決定する。ただし、第一の実施の形態と異なり、制限開口１２１は、その開口が可動ではなく固定の物を用い、その開口径は、光ディスク１０９がブルーレイである場合の実効開口数ＮＡ＝約０．８５となるように定められる。具体的には、開口径＝２×ＮＡ×レンズ焦点距離の関係から、レンズ焦点距離＝２．０６ｍｍであるから、制限開口１２１の開口径＝３．５ｍｍとなる。

一方、光ディスク１０９がＤＶＤである場合、あるいはＣＤである場合には、第一の実施の形態で述べたように、一般的には各々所定の開口径に変える必要があるから、その開口制御の手法が問題となる。この問題を解決するために、位相補償板１２２にＤＶＤ用の開口制限機能とＣＤ用の開口制限の機能を併せ持たせ、この開口制御の問題を解決する。開口制御については位相補償板１２２の説明で詳しく述べる。

位相補償板１２２は、ブルーレイ、ＤＶＤ、ＣＤの波面収差成分を低減するように補償するものであり、本実施の形態では、第一の実施の形態とは異なり位相補償板１２２を機械的に光路中に抜き差ししたり、あるいは電気的な動作制御をする必要はなく、光ディスク１０９がブルーレイ、ＤＶＤ、ＣＤのいずれであっても、光路中に固定して据え置いて用いればよい。ここでは概略を述べるにとどめ、その詳細はＤＶＤとＣＤの場合の開口制御と共に後述する。

集光レンズ１２３は、レーザビームを光ディスク１０９の情報記録面に集光する役割を果たす素子であり、図４６に示したようにその両面は連続な非球面形状を有する。

図３４、図３５、図３６は、図１５中に示したレンズモジュール１２０とディスク１０９のレンズデータであり、図３４はブルーレイ、図３５はＤＶＤ、図３６はＣＤの場合に相当する。本実施の形態における位相補償板１２２の材質はプラスチック相当とし、集光レンズ１０８の材質はガラス相当とし、ディスク１０９の透明基板はポリカーボネイト（ＰＣ）とした。これら材質の波長ごとの屈折率は、図３４、図３５、図３６に示したとおりである。また、「ＡＩＲ」とは面と面との間が空気で満たされていることを意味する。なお、ブルーレイ用の光ディスクの透明基板厚は、２層記録媒体を考慮して０．０８７５ｍｍとした。

図３７、図３８、図３９、図４０、図４１、図４２は、位相補償板１２２の非球面形状を数式で表現したものである。数１のパラメータを用いて、位相補償板１２２の物体側の面を表記すると、図３７、図３８、図３９、図４０、図４１、図４２で示したようになる。位相補償板１２２の物体側の面は３１個の輪帯状の領域からなり、第三の実施の形態では、図４２で表される最外周の輪帯領域のみブルーレイ専用使用領域となり、その内側の図３７、図３８、図３９、図４０、図４１で表される領域は、ブルーレイとＤＶＤの記録再生時において共に使用する領域であることから、ブルーレイ／ＤＶＤ共通使用領域となる。図４６に示したように位相補償板１２２の物体側の面は不連続な非球面形状を有するので、その不連続な非球面形状を構成する領域ごとにその非球面形状が表記される。図３７、図３８、図３９、図４０、図４１、図４２中の「領域の範囲」とは各領域において数１で表される非球面形状が有効なレンズ半径（単位はｍｍ）を表す。また、図３７、図３８、図３９、図４０、図４１、図４２中の「Ｂ」は光軸上のサグ量（単位はｍｍ）を表す。

図３７、図３８、図３９、図４０、図４１で表されるブルーレイ／ＤＶＤ共通使用領域の各パラメータの値はブルーレイとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定された結果である。一方、図４２で表されるブルーレイ専用使用領域の各パラメータの値は、ブルーレイの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定された結果であり、ＤＶＤやＣＤの記録あるいは再生時の波面収差があえて大きくなるように設計されている。ブルーレイ専用使用領域の輪帯は、ＤＶＤの記録あるいは再生時の開口制限の機能を持たせるためである。

図４３には、図３７、図３８、図３９、図４０、図４１、図４２に示した各非球面部において、第１区間の概略の光路長を基準とした時にブルーレイ／ＤＶＤ共通使用領域及びブルーレイ専用使用領域に相当する第２〜３１区間の概略光路長が、それぞれ概略で波長λの何倍ずれているかが示されている。

図４３よりわかるように、第２〜３１区間が波長４０５ｎｍのブルーレイに対しては２ｍλの差、波長６５５ｎｍのＤＶＤ及び波長７９０ｎｍのＣＤに対してはｍλの差（ｍは整数）となっている。これは、短い方の波長λ１が３８０〜４３０ｎｍの間に、長い方の波長λ２が波長６３０〜６８０ｎｍの間にあり、λ３が波長７９０ｎｍ付近にあるので、上記した概略光路長の差の関係を満足しやすいためである。

位相補償板１２２のもう一方の面は、図４６に示したように光軸を中心とする輪帯構造を有し、各輪帯ごとで光に与える位相差が異なることを特徴とする。この効果は、輪帯ごとに光軸方向へのそれぞれ異なった深さＤを与えて、階段状の輪帯構造を位相補償板１２２に設けることにより実現できる。ただし、λ１＝４０５ｎｍの波長光を基準光とし、その基準光に対応する位相補償板１２２の材料の屈折率ｎ１との関係に基づいて、輪帯深さＤは、Ｄ＝α×λ１／（ｎ１−１）の式を満足するように定める。前式中のαは整数である。これは、λ１＝４０５ｎｍの基準光が、ある輪帯を通過する場合としない場合とで、実質的な波面の位相がずれないように輪帯深さＤを設定するものである。

さらに深さＤは、λ２＝６５５ｎｍの波長とその対応する位相補償板１２２の材料の屈折率ｎ２との関係から、λ２＝６５５ｎｍの波長の光が、ある輪帯を通過する場合としない場合とで、できるだけ波面の位相がずれないように設定される。

上記条件下、本実施の形態においては、整数αは、１０の倍数となるように設定した。なお、整数αは、前記λ１、ｎ１、λ２、ｎ２の関係によって決まる値であるから、使用する光源の波長やレンズ材料等によっては必ずしも１０の倍数に限るものではなく、また、本実施の形態においても、１０の倍数以外にも例えば２０の倍数とすることもできる。なお、深さＤは、λ２＝６５５ｎｍの波長を基準光として設定してもよい。

本実施の形態においては、整数αは、１０の倍数から選択することになるが、各輪帯ごとの具体的な整数αの値は、上記条件を満たす範囲で、最終的に、上記集光レンズ１２３に対してＣＤで用いる波長λ３＝７９０ｎｍのレーザ光を平行光で入射させた場合に、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定される。
なお、整数αの決定については、発明の実施の形態２において説明したと同様にして行なうことができ、その説明を省略する。また、αは、発明の実施の形態２において説明したと同様に、整数に限られるものではない。

図４４は、上記手法によって最適化された位相補償板１２２の構造を示す図である。輪帯数は２４であり、各輪帯の深さＤは、図４４に示すとおりである。ただし、位相補償板１２２は、図４４に示すように、光軸を含む輪帯から数えて２３番目までの輪帯まで（ｂ１７＝１．１１８１１９ｍｍ）で、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるようにし、その外側の２４番目の輪帯においては、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差があえて大きくなるようにその面形状と輪帯の深さＤを定める。２４番目の輪帯は、ＣＤの記録あるいは再生時の開口制限の機能を持たせるためである。本実施の形態においては、２４番目の輪帯のＤを０とした。なお、位相補償板１２２の各輪帯を構成する面は、光軸に対して垂直な平面とした。
図４５は、集光レンズ１２３の非球面形状を数式で表現したものである。先に説明したように、集光レンズ１２３を構成する面は、連続な非球面形状からなる。

以上のように最適化された図１５の光学系において、ブルーレイの波面収差分布の計算結果を図３０に、ＤＶＤにおける波面収差分布の計算結果を図３１に示す。図３０と図３１は共に情報記録面上で生じている波面収差を光線追跡により集光レンズ１２３の瞳面での波面収差に換算したものであり、横軸は集光レンズの半径で規格化した集光レンズの規格化半径を示す。ブルーレイにおける波面収差のｒｍｓ値は０．０３４、ＤＶＤにおける波面収差のｒｍｓ値は０．０３６となり、いずれの場合も光ディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができる。なお、ＤＶＤの場合において一番外側のブルーレイ専用使用領域に相当する範囲では波面収差が大きくなっている。これは、前述したようにブルーレイ／ＤＶＤ共通使用領域はブルーレイとＤＶＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるように決定された結果であるのに対して、ブルーレイ専用使用領域の各パラメータの値は、ブルーレイの記録あるいは再生時の波面収差を極力小さく抑えるが、ＤＶＤやＣＤの記録あるいは再生時の波面収差があえて大きくなるように設計されているからである。ブルーレイ専用使用領域の輪帯は、ＤＶＤの記録あるいは再生時の開口制限の機能を持たせるためである。

図３３は、ＣＤにおける瞳面での波面収差分布の計算結果を示す。一方、図３２は、２３番目の輪帯に相当する部分までを抜き出した、ＣＤにおける瞳面での波面収差分布の計算結果を示す。図３２と図３３から位相補償板１２２の２３番目の輪帯に相当する範囲内では、おおむね良好な波面収差特性を示しているが、一番外側の２４番目の輪帯に相当する範囲では波面収差が大きくなっていることがわかる。これは、先に述べたように位相補償板１２２は、図４４に示すように、光軸を含む輪帯から数えて２３番目までの輪帯までで、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を極力抑えるように設計されるのに対して、その外側の２４番目の輪帯の設計においては、ＣＤの記録あるいは再生時の波面収差が大きくなるようにその面形状と深さＤを定めたからである。この場合、波面収差が大きくなる２４番目の輪帯に相当する領域を通過したＣＤで用いる波長λ３＝７９０ｎｍのレーザ光は、その収差が大きいために、いわゆるフレア光となって拡散するので、光ディスク１０９の情報記録面に回折限界近くまで集光されない。一方、光軸を含む輪帯から数えて２３番目までの輪帯までを通過したＣＤで用いる波長λ３＝７９０ｎｍのレーザ光は、その収差が十分小さいので、光ディスク１０９の情報記録面に回折限界近くまで集光される。

具体的には、図３２に基づいて、ディスク１０９上にスポットを形成するのに寄与する２３番目の輪帯（ｂ２３＝１．１１８１１９ｍｍ、図４４参照）に相当する部分までの波面収差を計算すると、そのｒｍｓ値は０．０４１となる。すなわちＣＤにおいては、位相補償板１２２の一番外側の２４番目の輪帯は開口制限の役割を果たし、１から２３番目の輪帯を通過した光によって光ディスクの情報記録面に回折限界近くまでレーザビームを集光することができる。かかる場合、ＣＤ実効開口径＝２ｂ１７＝２．２３６ｍｍとレンズ焦点距離＝２．２９２８３ｍｍの関係から、ＣＤのＮＡは０．５１となる。

このように、位相補償板１２２の一番外側の２４番目の輪帯はＣＤのときには開口制限の役割を果たすことがわかる。

一方、位相補償板１２２の輪帯構造は、２４番目の輪帯をも含め、λ１＝４０５ｎｍの波長の光については、位相補償板１２２の輪帯構造により位相差が生じないように、またλ２＝６５５ｎｍの波長の光については、位相補償板１２２の輪帯構造によりできるだけ位相差が生じないように最適化されていることは、先に述べたとおりである。そのため、λ１＝４０５ｎｍの波長の光、及びλ２＝６５５ｎｍの波長の光において、位相補償板１２２をそのまま用いたとしても、ブルーレイやＣＤの記録あるいは再生時の波面収差を顕著に増大させるものではない。

具体的には、ブルーレイの波面収差分布の計算結果は図３０に、ＤＶＤにおける波面収差分布の計算結果は図３１に示すが、これらの結果は、位相補償板１２２をも含めた結果であり、集光レンズ１２３の瞳面の全面で十分に小さい波面収差値が得られていることを示すものである。

すなわち、一番外側の２４番目の輪帯も含め位相補償板１２２の全ての輪帯は、λ１＝４０５ｎｍの波長の光、及びλ２＝６５５ｎｍの波長の光に対して開口制限のような働きをせず、位相補償板１２２の一番外側の輪帯は、ＣＤのときにのみ開口制限の役割を果たすことになる。

なお、ＣＤのときにのみ開口制限として機能する位相補償板１２２の一番外側の輪帯については、そのフレア特性を向上させるために、複数の輪帯で構成してもよい。

このように、第三の実施の形態に従えば、（１）各ディスクに対応した可変開口を用いる必要はなく、（２）位相補償板についても、それを機械的に光路中に抜き差ししたり、あるいは電気的な動作制御をする必要はなく、（３）１／４波長板は静的な位相板よりも前段に配置できるのでレンズモジュールと一体化する必要はなく、第一の実施の形態に比べて本発明のレンズモジュールの構成が非常に簡単になるといった利点を有し、かつ集光レンズに不連続な形状を形成する必要がないので、集光レンズの材質として高い屈折率を有するガラス系の材料を用いることができる点に特徴を有する。
なお、図４６に示した位相補償板１２２では、一枚の位相補償板の両面のそれぞれに、不連続な非球面形状と輪帯構造を設けるようにしたが、２枚の位相補償板の一方の位相補償板に不連続な非球面形状を設け、他方の位相補償板に輪帯構造を設けるようにしてもよい。

本発明に従う光ピックアップの概略図である。 本発明に従う集光レンズ及び位相補償板の概略図である。 本発明に従う光ピックアップでＨＤ−ＤＶＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布を示す図である。 本発明に従う光ピックアップでＤＶＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布を示す図である。 本発明に従う位相補償板を用いないでＣＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布を示す図である。 本発明に従う位相補償板を構成する各位相補償要素が与える位相差を示す図である。 本発明に従う光ピックアップでＣＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布を示す図である。 本発明に従う光ピックアップのレンズデータで、ディスクがＨＤ−ＤＶＤの場合を示す図である。 本発明に従う光ピックアップのレンズデータで、ディスクがＤＶＤの場合を示す図である。 本発明に従う光ピックアップのレンズデータで、ディスクがＣＤの場合を示す図である。 本発明に従う集光レンズの面形状を示す図である。 本発明に従う集光レンズの面形状を示す図である。 本発明に従う集光レンズの面形状を示す図である。 本発明に従う集光レンズの光路長差を示す図である。 本発明に従う光ピックアップの概略図である。 本発明に従う光ピックアップでＨＤ−ＤＶＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布を示す図である。 本発明に従う光ピックアップでＤＶＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布を示す図である。 本発明に従う光ピックアップでＣＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布（制限開口内）を示す図である。 本発明に従う光ピックアップでＣＤを記録あるいは再生した場合の波面収差分布を示す図である。 本発明に従う光ピックアップのレンズデータで、ディスクがＨＤ−ＤＶＤの場合を示す図である。 本発明に従う光ピックアップのレンズデータで、ディスクがＤＶＤの場合を示す図である。 本発明に従う光ピックアップのレンズデータで、ディスクがＣＤの場合を示す図である。 本発明に従う集光レンズの面形状を示す図である。 本発明に従う集光レンズの面形状を示す図である。 本発明に従う集光レンズの面形状を示す図である。 本発明に従う集光レンズの光路長差を示す図である。 本発明に従う位相補償板の構造を示す図である。 本発明に従う集光レンズ及び位相補償板の概略図である。 レンズ座標軸を示す図である。 本発明に従うブルーレイの波面収差分布の計算結果を示す図である。 本発明に従うＤＶＤにおける波面収差分布の計算結果を示す図である。 本発明に従うＣＤにおける瞳面での波面収差分布の計算結果を示す図である。 本発明に従うＣＤにおける瞳面での波面収差分布の計算結果を示す図である。 本発明に従うレンズモジュールとディスクのレンズデータを示す図である。 本発明に従うレンズモジュールとディスクのレンズデータを示す図である。 本発明に従うレンズモジュールとディスクのレンズデータを示す図である。 本発明に従う位相補償板の非球面形状を数式で表現した図である。 本発明に従う位相補償板の非球面形状を数式で表現した図である。 本発明に従う位相補償板の非球面形状を数式で表現した図である。 本発明に従う位相補償板の非球面形状を数式で表現した図である。 本発明に従う位相補償板の非球面形状を数式で表現した図である。 本発明に従う位相補償板の非球面形状を数式で表現した図である。 本発明に従うブルーレイ／ＤＶＤ共通使用領域及びブルーレイ専用使用領域に相当する概略光路長のずれを示す図である。 本発明に従う位相補償板の構造を示す図である。 本発明に従う集光レンズの面形状を示す図である。 本発明に従う集光レンズ及び位相補償板の概略図である。 本発明に従う位相補償板におけるαの許容範囲を示す表である。 本発明に従う位相補償板におけるαの許容範囲を示す表である。

符号の説明

１００ ３波長レーザ
１０１ レーザ光
１０２ 偏光ビームスプリッタ
１０３ コリメータレンズ
１０４ レンズモジュール
１０５ 制限開口
１０６ 位相補償板
１０７ １／４波長板
１０８ 集光レンズ
１０９ 光ディスク
１１０ 検出器
１２０ レンズモジュール
１２１ 制限開口
１２２ 位相補償板
１２３ 集光レンズ
１２５ １／４波長板

Claims (14)

1. 対物レンズと位相補償板で構成され、波長が異なる３つのレーザビームを用い、波長λ１のレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に記録再生し、波長λ２のレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に記録再生し、波長λ３のレーザビームで基板厚さｔ３の情報記録媒体に記録再生するためのピックアップレンズであって、
   前記対物レンズの少なくとも１つの面に同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１のレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差と、波長λ２のレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差の、双方を低減するような、相互に異なる非球面形状が個別に設定され、
   前記位相補償板の少なくとも１つの面に同心円状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１と波長λ２のレーザビームに対しては不感であり、一方、波長λ３のレーザビームに対しては、波長λ３のレーザビームを前記対物レンズに直接入射したときに発生する波面収差を低減するように、波面の位相ずれが個別に設定されているピックアップレンズ。
2. 前記位相補償板は、電気的に動作させるかさせないかを制御可能な液晶収差補正素子であることを特徴とする請求項１記載のピックアップレンズ。
3. 前記位相補償板は、同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、当該輪帯毎に段差を設けて位相ずれを発生させる素子であることを特徴とする請求項１記載のピックアップレンズ。
4. 前記位相補償板の少なくとも１つの面に形成された輪帯は、波長λ１のレーザビームに対しては絶対値が０．１λ１より小さい波面の位相ずれを発生させ、かつ波長λ２のレーザビームに対しては絶対値が０．１λ２より小さい波面の位相ずれを発生させることを特徴とする請求項３記載のピックアップレンズ。
5. 前記位相補償板の輪帯における段差Ｄは、波長λ１のレーザビームに対する位相補償板の屈折率をｎ１としたとき、Ｄ＝α×λ１／（ｎ１−１）で表わすことができ、この式においてαは、整数又は整数±０．１の範囲であることを特徴とする請求項３又は４に記載のピックアップレンズ。
6. 波長λ３のレーザビームで基板厚さｔ３の情報記録媒体に記録再生する場合における波面収差を０．０４０λｒｍｓ以下にすることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載のピックアップレンズ。
7. 波長λ１、λ２、λ３は、λ１＜λ２＜λ３の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載のピックアップレンズ。
8. 波長λ１が略４０５ｎｍ、波長λ２が略６５５ｎｍ、波長λ３が略７９０ｎｍ、基板厚さｔ１が略０．１ｍｍ、基板厚さｔ２が略０．６ｍｍ、基板厚さｔ３が略１．２ｍｍであることを特徴とする請求項７記載のピックアップレンズ。
9. 波長λ１が略４０５ｎｍ、波長λ２が略６５５ｎｍ、波長λ３が略７９０ｎｍ、基板厚さｔ１が略０．６ｍｍ、基板厚さｔ２が略０．６ｍｍ、基板厚さｔ３が略１．２ｍｍであることを特徴とする請求項７記載のピックアップレンズ。
10. 前記位相補償板において、波長λ１のレーザビームに対して発生する波面の位相ずれの絶対値が、波長λ２のレーザビームに対して発生する波面の位相ずれの絶対値よりも小さいことを特徴とする請求項７乃至９いずれか１項に記載のピックアップレンズ。
11. 前記３つのレーザビームのいずれもが平行光として入射され、対応する情報記録媒体に集光することを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１項に記載のピックアップレンズ。
12. 波長λ１、λ２、λ３の波長が異なる光源と、位相補償板と、対物レンズとを備え、各々厚さｔ１、ｔ２、ｔ３の基板を有する情報記録媒体に記録再生を行う光ピックアップ装置であって、
    前記対物レンズの少なくとも１つの面に同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１のレーザビームで基板厚さｔ１の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差と、波長λ２のレーザビームで基板厚さｔ２の情報記録媒体に記録再生する際に生じる波面収差の、双方を低減するような、相互に異なる非球面形状が個別に設定され、
    前記位相補償板の少なくとも１つの面に同心円状かつ階段状の輪帯が形成され、各輪帯には、波長λ１と波長λ２のレーザビームに対しては不感であり、一方、波長λ３のレーザビームに対しては、波長λ３のレーザビームを前記対物レンズに直接入射したときに発生する波面収差を低減するように、波面の位相ずれが個別に設定された光ピックアップ装置。
13. 前記対物レンズは、３つのレーザビームのいずれもが平行光として入射され、対応する情報記録媒体に集光することを特徴とする請求項１２記載の光ピックアップ装置。
14. 前記波長λ１のレーザビーム、前記波長λ２のレーザビーム及び前記波長λ３のレーザビームの全てに対して共通の検出系を備えたことを特徴とする請求項１３記載の光ピックアップ装置。

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