JP4434369B2 - 対物レンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク等の光記録媒体用の記録装置や再生装置等に用いる光ヘッド装置用対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ−Ｒを含むＣＤ系の光記録媒体（以後、光ディスクで代表する。）の記録再生のために、光源として波長が７８０ｎｍ帯の半導体レーザとＮＡ（開口数）が０．４５の対物レンズ、及び、厚さが１．２ｍｍの光ディスクが使用される。一方、ＤＶＤ系の光ディスクの記録再生には、光源として波長が６４０ｎｍ帯の半導体レーザとＮＡが０．６の対物レンズ、及び、厚さが０．６ｍｍの光ディスクが使用される。
【０００３】
したがって、一つの光ヘッド装置でＣＤ系とＤＶＤ系両方の光ディスクの記録再生を実現させるには、ＣＤ系とＤＶＤ系用それぞれの発振波長の半導体レーザを２個、及び、それぞれのＮＡに対応した２個の対物レンズを使用する。しかし、この方式では、光学系が２系統となるため、光ヘッド装置の体積が大きく、重量も重く、部品点数が多いため、組立工程が複雑である等の欠点があった。
【０００４】
これらの欠点を解決するため、波長の異なる半導体レーザからの光を波長選択性の合成分離ミラーで合成分離し、同一の対物レンズを使用してコンパクトな光ヘッド装置を構成することが提案されているが、前述のように、ＣＤ系とＤＶＤ系の光ディスクでは対物レンズに要求されるＮＡが異なるため、両系の光ディスクを同一の対物レンズを使用して記録再生する場合、対物レンズのＮＡを波長に応じて変える必要があった。
【０００５】
この波長に応じてＮＡを変える方法として、光軸を含む対物レンズの中心領域では２つの波長帯の光は直進透過させ、光軸を含まない対物レンズの周辺領域では大きなＮＡが必要な波長６４０ｎｍの光は直線的に透過させ、小さなＮＡでもよい波長７８０ｎｍの光は反射させる機能を有した波長選択性の絞りを、光ディスクと光源との間に配置することにより、ＣＤ系とＤＶＤ系での光ディスクの波長に対するＮＡの切替を行っている。しかし、ＣＤ系とＤＶＤ系では光ディスクの厚さが異なるので、発生する球面収差をこのような開口制御（ＮＡ制御）のみでは十分に低減させることは困難であった。
【０００６】
この問題を解決する従来の手段は、例えば「光学」第２８巻第２号１９９９年６４−７０項に概説され、大別して２種の方策がある。すなわち、ＤＶＤ系で波面収差が最小となるように設計された対物レンズの表面に輪帯状に段差を形成し、ＤＶＤ系での波面収差増大を抑制しつつＣＤ系での波面収差を減少させる輪帯位相補正レンズ方式と、対物レンズとは別に平面形状が環状で断面形状が階段状の溝を基板に形成した素子を配置する位相制御素子方式である。
【０００７】
輪帯位相補正レンズ方式は、例えば特開平１１−２７５９号や特開平１１−１６１９０号にその実施例が記載されている。何れも、輪帯位相補正段差のない連続面対物レンズに比べて、ＣＤのＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差は改善されているが、ＤＶＤの波面収差は劣化する傾向にある。この原因は、従来の輪帯位相補正面は同一の曲面を光軸方位に平行移動して段差を形成しているため、輪帯毎にその焦点位置が段差分だけ変化することによる。段差をＤＶＤ系の波長に対して略整数倍とすることにより、ＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差の増大を抑制し、ＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減する効果は発現するが、改良の余地を残していた。
【０００８】
位相制御素子方式の場合、例えば特開平１０−３３４５０４号に記載されるように、ＤＶＤ波長に対して位相制御素子は位相分布をほとんど変化させないため、ＲＭＳ波面収差はＤＶＤ系に最適設計された対物レンズの値を維持し、ＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減するように作用するため、記録再生性能が波面収差に敏感なＤＶＤ系に対して有効である。しかし、位相制御素子は対物レンズと分離した構成であるため、位相制御素子と対物レンズとの偏心が許容値以上に生じるとＣＤのＲＭＳ波面収差の低減作用が機能しなくなるといった問題があった。
【０００９】
また、光ディスク用の光ヘッド装置においては、半導体レーザからの出射光が光ディスクで反射されて戻り光となり、この戻り光をビームスプリッタを用いて光検出器である受光素子に導く必要がある。このビームスプリッタとして、異なる波長の半導体レーザ光を合成分離するための前述の合成分離ミラーに加えて、この合成分離ミラーによって分離されたそれぞれの波長の光を上記の受光素子へ導くためのハーフミラーがさらに必要となる。したがって、部品点数が多くなると共に、組立工程が複雑となり、生産性が下がる。また、このハーフミラーは通常入射光方向に対し９０°方向に光を反射するように使用するために、光ヘッド装置の小型化も困難であった。
【００１０】
光ヘッド装置の小型化のために、このビームスプリッタとしてホログラム素子を用いることが提案されている。このホログラフィックビームスプリッタは、光の進行方向を回折によって曲げて、半導体レーザの近くに配置した受光素子に光を導くことができる。
【００１１】
このホログラフィックビームスプリッタを半導体レーザと対物レンズとの間の半導体レーザに近い側に配置すると、２つの異なる波長の半導体レーザの近くにそれぞれのホログラム素子が必要となり、部品点数が増加する。また、特にＤＶＤ系の光ディスクの再生時には、ホログラム素子を対物レンズと一体に駆動した方がトラッキングの精度が高くなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術が有していた前述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、輪帯位相補正レンズ方式の対物レンズであって、異なる２つの波長で光ディスクの記録再生時に何れもＲＭＳ波面収差が改善された対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の対物レンズは、２つの波長λ1 とλ2 （λ1 ＜λ2 ）のレーザ光源からの波面の位相が揃っている光束を集光光学系によりそれぞれの波長において異なる厚さｔ1 とｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）の基板越しに光記録媒体の情報記録面に集光し、情報記録面上に情報を記録又は情報記録面上の情報を再生する光ヘッド装置の対物レンズにおいて、集光光学系に用いられる波長λ 1 における屈折率ｎの対物レンズは、入射光束の開口数の異なる領域に光軸に回転対称な輪帯状の少なくとも５つの屈折曲面を有すると共に、その境界域で段差をなし、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ１からＮＡ２の領域の輪帯段差をｄ１２、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ２からＮＡ３の領域の輪帯段差をｄ１３、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ３からＮＡ４の領域の輪帯段差をｄ１４、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ４からＮＡ５の領域の輪帯段差をｄ１５とすると、開口数ＮＡ１〜ＮＡ５と輪帯段差ｄ１２〜ｄ１５は、
０．１０≦ＮＡ１＜ＮＡ２＜ＮＡ３＜ＮＡ４＜ＮＡ５≦０．６５
の関係を満たすと共に、
０．６０×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１２≦１．４０×λ1 ／（ｎ−１）
１．８４×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１３≦２．１６×λ1 ／（ｎ−１）
０．８８×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１４≦１．１２×λ1 ／（ｎ−１）
−０．１２×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１５≦０．１２×λ1 ／（ｎ−１）
の関係を満たし、かつ、波長λ1 の対物レンズ入射光に対する前記の少なくとも５つの輪帯状屈折曲面各々による集光点位置が略一致するように、段差をなして隣接する輪帯状屈折曲面の面形状が相互に異なることを特徴とするものである。
【００１４】
この場合に、２つの波長λ1 とλ2 が、６２０ｎｍ≦λ1 ≦６８０ｎｍ、及び、７５０ｎｍ≦λ2 ≦８２０ｎｍであり、光記録媒体の基板厚さが、ｔ1 ＝０．６ｍｍ、及び、ｔ2 ＝１．２ｍｍであり、開口数ＮＡ１〜ＮＡ５は、
０．１０≦ＮＡ１≦０．１８
０．１９≦ＮＡ２≦０．２７
０．３６≦ＮＡ３≦０．４２
０．４３≦ＮＡ４≦０．４５
０．４５≦ＮＡ５≦０．６５
・・・（３）
を満たすと共に、波長λ1 の光束は対物レンズの開口数略０．６に相当する領域を利用し、波長λ2 の光束は対物レンズの開口数略０．４５に相当する領域を利用することを特徴とするものである。
【００１５】
以上の対物レンズを用いて光ヘッド装置を構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の対物レンズの構成例を示す断面図である。１は対物レンズ、２は対物レンズ１に形成された輪帯状の複数の屈折曲面、３は対物レンズ１のもう片方の屈折曲面を示す。この輪帯状の複数の屈折曲面２は、厚さ０．６ｍｍのＤＶＤ系光ディスク４、及び、厚さ１．２ｍｍのＣＤ系光ディスク５に対して波面収差が最小となるように設計されている。図１（ａ）は、ＤＶＤ系の光ディスク４にＮＡが０．６に相当する光束が集光される様子を示し、図１（ｂ）は、ＣＤ系の厚さ１．２ｍｍの光ディスク５にＮＡが０．４５に相当する光束が集光される様子を示している。
【００１７】
本発明の対物レンズ１の例として、その平面図と断面図をそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）に示す。輪帯状の複数の屈折曲面２は、開口数ＮＡの小さな順にＮＡ１からＮＡ６に至る６種類の輪帯屈折曲面１１〜１６からなる。図３に、屈折曲面２の拡大断面図を示す。対物レンズ１の回転対称軸と対物レンズ１の屈折面とが交わる対物レンズ１の頂点に対して、それぞれの複数の屈折曲面１２、１３、１４、１５、１６を対称軸まで延長しその対称軸と交わる対称軸上における面間隔が、ｄ１２，ｄ１３，ｄ１４，ｄ１５，ｄ１６となるような段差を有する曲面２となっている。
【００１８】
図３には、ＮＡ５〜ＮＡ６の領域に段差ｄ１６が形成された例が示されているが、段差ｄ１６がなく、曲面１５と曲面１６が同一屈折曲面であっても構わない。
【００１９】
これらの輪帯屈折曲面１１〜１６の面形状、段差ｄ１２〜ｄ１６、及び、輪帯半径の分割域は、各輪帯に入射する光束が波長λ1 でＮＡ＝０．６のＤＶＤ系光ディスク、及び、波長λ2 でＮＡ＝０．４５のＣＤ系光ディスクに対して、ＲＭＳ波面収差が１゜以内の斜入射光束について、それぞれ０．０７λ1 以下、及び、０．０７λ2 以下となるように設計する。
【００２０】
図１及び図２では、光ディスク４、５と反対側の対物レンズ屈折曲面２に複数の輪帯状の屈折曲面１１〜１６を形成した例が示されているが、光ディスク４、５側の対物レンズ屈折曲面３に形成されていても構わない。輪帯境界域の段差による陰を低減するためには、略平行光束が入射する光ディスク４、５と反対側の対物レンズ屈折曲面２に形成することが好ましい。
【００２１】
本発明の対物レンズ１に形成された輪帯屈折曲面１１〜１６の段差ｄ１２〜ｄ１６、輪帯半径の分割域及び面形状について以下に記す。
【００２２】
厚さ０．６ｍｍのＤＶＤ系光ディスク４に対して、ＲＭＳ波面収差が０．０２λ1 以下となるように設計された段差のない単一曲面２Ａと単一曲面３（表２）を有する対物レンズ１を、厚さ１．２ｍｍのＣＤ系光ディスク５に用いると、図９に示すような光ディスクの厚さの相違に起因した球面収差が発生する。この図は、位相差の断面を表しており、実際には３次元的で周辺部の盛り上がったドーナツ状で、かつ、環状である。
【００２３】
対物レンズ１に形成された輪帯段差ｄ１２〜ｄ１６により生じる位相ずれが、ＤＶＤ系の波長λ1 の略整数倍に等しい場合、波長λ1 に対しては、これらの段差形成に伴う輪帯屈折曲面１１〜１６通過後の波面収差の変化はない。このような段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）は、対物レンズ１の屈折率をｎとすると、次の式（４）で記述される。
【００２４】
ｄｉ＝ｍ・λ1 ／（ｎ−１）： ｍ＝１，２，３，… ・・・（４）
一方、ＣＤ波長λ2 においては、各輪帯屈折曲面１１〜１６の段差形成に伴い、次の式（５）に相当した位相差が発生する。
【００２５】
２π・（ｎ−１）ｄｉ／λ2 ＝２π・ｍ・λ1 ／λ2 ・・・（５）
このような性質を利用して、図９に示された波長λ2 の波面収差を低減するように、段差の輪帯屈折曲面１１〜１６の開口数領域と段差の深さｄｉ、すなわち、式（４）の整数値ｍを定めればよい。なお、図９に示された波長λ2 の波面収差は、上記のように、光ディスク４から光ディスク５へ切り換えた際の光ディスクの厚さの相違に起因した波面収差である。
【００２６】
具体的には、前記の式（１）の関係を満たす対物レンズ１の開口数領域に、式（２）で記述される深さの段差ｄ１２〜ｄ１５を形成すればよい。さらに、各輪帯屈折曲面１１〜１５の開口数領域は、式（３）で記述される領域範囲であることが好ましい。
【００２７】
一方、このような輪帯状の段差ｄ１２〜ｄ１６の形成により、各輪帯域の光軸上の焦点位置が段差の深さｄｉに相当する量でシフトするため、対物レンズ１の焦点面位置においては波面収差が劣化する。この各輪帯屈折面１１〜１６の光軸上の焦点位置シフトをなくし、略同一集光点となるように、各輪帯屈折面の曲面形状を設計することにより、波長λ1 での波面収差劣化を低減することができる。具体的な設計例は後述の実施例に示す。
【００２８】
ここで、略同一集光点の意味は、入射角０°で入射する波長λ1 の入射光に対する対物レンズ１の波面収差が０．０７λ1 以下になることである。
【００２９】
屈折曲面２及び屈折曲面３の形状が最適化され仕様の定まった本発明の対物レンズ１は、例えば、ガラスあるいは樹脂の母材を設計値に対応した面形状を有する金型を用いて精密成形することにより作製される。
【００３０】
また、ＤＶＤ系とＣＤ系の光ディスクでは要求されるＮＡが異なり、ＣＤ系の光ディスク再生時にはＮＡがＤＶＤ系のそれより小さく、対物レンズの周辺部を使用しないように制限することが好ましい。そのため、ＣＤ系の光ディスク再生時には、対物レンズ１の周辺部透過光の位相がずれるように光学設計し、光ディスク面上に集光しないように収差を発生させることにより、実質的に開口制御できる。この場合は、波長選択性の開口制御フィルタを省くことができ、使用部品の点数が減らせて好ましい。
【００３１】
具体的には、図２に示した対物レンズの輪帯状屈折曲面２において、ＤＶＤ系で用いられＣＤ系では用いられないＮＡが０．４５〜０．６の領域に対応した開口数ＮＡ５〜ＮＡ６の輪帯曲面１６にも段差ｄ１６を形成し、ＤＶＤ系波長λ1 ＝６４０ｎｍの光束に対しては波面収差を劣化させないが、ＣＤ系波長λ2 ＝７８０ｎｍの光束に対しては光学系のＮＡが０．４５以下の波面収差に対してＮＡが０．４５〜０．６の波面収差の差異が大きくなるように段差ｄ１６及び曲面を規定すれば、有効な波長選択性の開口制御フィルタとして作用する。
【００３２】
さらに、この対物レンズ１とビームスプリッタ用ホログラム６１を形成したホログラム用の基板６とを単一のホルダー７を用いて一体化した複合体８の構成例の断面図を図４に示す。ここで、ビームスプリッタ用ホログラム６１は、光ディスクに向かう往路と光ディスクから光検出器に向かう復路の光路を分離するためのものである（図７）。このように対物レンズ１とビームスプリッタ用ホログラム６１を形成したホログラム用の基板６とをホルダー７を用いて一体化することで、部品点数を減らすと共に、小型化や軽量化につながり、さらには光ヘッド装置の組立が容易になる。
【００３３】
このビームスプリッタ用ホログラム６１にさらにλ／４板等の波長板を一体化することにより、光ディスクへ向かう光及び光ディスクからの反射戻り光の偏光特性を制御できて、さらに好ましい。
【００３４】
また、開口制御用にＤＶＤ系の波長光束を透過し、ＣＤ系の波長光束を反射又は回折するダイクロイックフィルターを、このホログラム用の基板６のＮＡが０．４５〜０．６の輪帯領域に一体化して形成してもよい。
【００３５】
【実施例】
以下、図面を参照しながら本発明の対物レンズ及びそれをそれを用いた光ヘッド装置の実施例について説明する。ここで使用した２つの半導体レーザの発振波長は、λ1 ＝６４０ｎｍとλ2 ＝７８０ｎｍである。光線追跡に用いた対物レンズのＤＶＤ系及びＣＤ系の光ディスクに対する仕様を表１に示す。
【００３６】
【表１】
最初に、輪帯のない従来の単一屈折曲面を有する構成の対物レンズについて、波長λ1 ＝６４０ｎｍ、ＮＡ＝０．６のＤＶＤ系の光ディスクに対して波面収差が最小となるように設計した。その対物レンズの断面図を図８に、その屈折曲面２Ａと３の面形状を表２に示す。
【００３７】
【表２】
ここで、面形状Ｚ（ｒ）は回転対称で、半径座標ｒに対して次式（ａ）で記述される。ｃは曲率半径Ｒの逆数、ｋは円錐定数、Ａ2 ，Ａ4 ，Ａ6 はそれぞれ２次，４次，６次の非球面係数である。
【００３８】
Ｚ（ｒ）＝ｃｒ2 ／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｃ2 ｒ2 ｝1/2 ］
＋Ａ2 ｒ2 ＋Ａ4 ｒ4 ＋Ａ6 ｒ6
・・・（ａ）
本例では、非球面係数を６次までとしたが、さらに高次項を用いてもよい。
【００３９】
この対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を、入射角０゜〜１゜の平行光の場合について表３に従来例としてまとめた。ＤＶＤ系ではＮＡ＝０．６の光束について、ＣＤ系ではＮＡ＝０．４５の光束についての計算結果である。
【００４０】
【表３】
ＲＭＳ波面収差（従来例）
ＮＡ＝０．６のＤＶＤ系の光ディスクではＲＭＳ波面収差が０．０３３λ2 以下だが、ＮＡ＝０．４５のＣＤ系の光ディスクでは図９に示すような大きな球面収差が発生し、マレシャルの基準値０．０７λ2 を大幅に超過するため、このままでは記録情報の再生ができない。
【００４１】
次に、この面形状を初期値として、図３に示したような６輪帯の段差を設定し、ＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差を劣化させないでＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減するように、各輪帯の最小ＮＡと最大ＮＡ、段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）、屈折曲面形状を光線追跡により設計した。屈折曲面２の非球面定数は２次の非球面係数Ａ2 のみを用い、正弦条件を考慮して軸外１゜までの斜入射光束に対してもＲＭＳ波面収差の劣化が少ない設計条件とした。
【００４２】
この場合は輪帯番号ｉ（ｉ＝１２〜１６）の面形状Ｚi （ｒ）は次式（ｂ）で記述される。
【００４３】
Ｚi （ｒ）＝ｄｉ＋ｃｒ2 ／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｃ2 ｒ2 ｝1/2 ］＋Ａ2 ｒ2
・・・（ｂ）
実施例１として、本発明の対物レンズにおける屈折曲面２の輪帯面形状の仕様を表４にまとめた。屈折曲面３の仕様は表２と同じである。また、数値は小数点５桁までの記載とした。
【００４４】
【表４】
屈折曲面２の仕様（実施例１）
。
【００４５】
本実施例の対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を表５にまとめた。
【００４６】
【表５】
ＲＭＳ波面収差（実施例１）
ＤＶＤ系及びＣＤ系でマレシャルの基準値０．０７λを十分満たす低いＲＭＳ波面収差が得られた。
【００４７】
また、このときのＣＤ系の波面収差図を図５に示す。図９の従来例に対して輪帯状に位相補正されることでＲＭＳ波面収差が減少している。
【００４８】
比較例として、表２に示した面形状の対物レンズにおいて、屈折曲面２として実施例１と同じ最小・最大ＮＡの輪帯域にＤＶＤ系の波長λ1 ＝６４０ｎｍに対して波長の整数倍の位相差に相当する段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）を形成し、ＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減する手法を用いて計算した。その屈折曲面２の仕様を表６に示す。
【００４９】
【表６】
屈折曲面２の仕様（比較例）
。
【００５０】
本比較例の対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を表７にまとめた。
【００５１】
【表７】
ＲＭＳ波面収差（比較例）
ＣＤ系のＲＭＳ波面収差が低減し、ＤＶＤ系及びＣＤ系でマレシャルの基準値０．０７λを満たすが、従来例のＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差が劣化し、実施例１に比べ高い数値となっている。
【００５２】
実施例１ではＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差を劣化させないでＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減するように各輪帯の最小・最大ＮＡ、段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）、屈折曲面形状を設計したが、ＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差を許容範囲内で劣化させ、その分ＣＤ系のＲＭＳ波面収差をさらに低減するような設計も可能である。その例として、以下に実施例２として設計結果を記す。
【００５３】
実施例２における屈折曲面２の輪帯面形状の仕様を表８に、屈折曲面３の仕様を表９に示す。数値は小数点５桁までの記載とした。
【００５４】
【表８】
屈折曲面２の仕様（実施例２）
。
【００５５】
【表９】
屈折曲面３の仕様（実施例２）
Ｒ(mm) -2.930297
ｋ -10.171
Ａ2(mm-1) 0.1108536
Ａ4(mm-3) -0.01209609
Ａ6(mm-5) 0.001447053
本実施例の対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を表１０にまとめた。
【００５６】
【表１０】
ＲＭＳ波面収差（実施例２）
ＤＶＤ系及びＣＤ系でマレシャルの基準値０．０７λを十分満たす低いＲＭＳ波面収差が得られ、実施例１に比べＣＤ系のＲＭＳ波面収差が低減された。
【００５７】
また、ＣＤ系において、ＮＡが０．６までの波面収差を図６に示す。実線は本実施例の輪帯番号１６の段差Ｚ１６がある場合を、点線は段差のない場合を示す。したがって、ＮＡが０．４５以上の領域では、ＣＤ系の波面収差は元々大きな値であるが、上記段差を形成することによりさらに増大する。このような光束は信号読み出しに寄与しないため、実効的に開口制御として働く。
【００５８】
以上において、波長λ1 における対物レンズの屈折率をｎ1 とすると、実施例１及び実施例２の何れにおいても、波長λ1 に対して輪帯１２及び１４の領域では略１波長分の光路差に相当する段差λ1 ／（ｎ1 −１）が形成され、輪帯１３の領域では略２波長分の光路差に相当する段差２×λ1 ／（ｎ1 −１）が形成されている。このような輪帯状の段差を形成することにより、各輪帯域の光軸上の焦点位置がシフトするが、各輸帯面の曲面形状を変えることにより、各輪帯域の光軸上の焦点位置を同一となるようにしてＲＭＳ波面収差の劣化をなくしている。したがって、ＤＶＤ波長λ1 における輪帯段差形成に伴うＲＭＳ波面収差の劣化は抑制される。
【００５９】
輪帯面の面形状が異なる場合、図３において規定される輪帯の段差ｄｉ（ｉ＝１２〜１６）はλ1 ／（ｎ1 −１）の整数倍から若干ずれた（２）式で示される範囲で、光路差が波長λ1 の整数倍となる。
【００６０】
一方、ＣＤ波長λ2 においては、波長λ2 における対物レンズの屈折率をｎ2 とすると、上記輪帯状の段差を形成することにより、輪帯１２及び１４の領域では、以下の式（６）の１倍、輪帯１３の領域では２倍の、波長λ2 を単位とした光路差が発生する。
【００６１】
｛λ1 ／（ｎ1 −１）｝×｛（ｎ2 −１）／λ2 ｝
＝（λ1 ／λ2 ）×（ｎ2 −１）／（ｎ1 −１） ・・・（６）
具体的には、λ1 ＝６４０ｎｍ、λ2 ＝７８０ｎｍ、ｎ1 ≒ｎ2 とおくと、（λ1 ／λ2 ）×（ｎ2 −１）／（ｎ1 −１）＝０．８２となる。すなわち、輪帯段差のない場合の波面収差である図９に示した球面収差に対して、輪帯１２及び１４の領域では、（１−０．８２）＝０．１８λ2 分波面収差を差し引く補正として作用し、輪帯１３の領域では、２×（１−０．８２）＝０．３６λ2 分波面収差を差し引く補正として作用するため、図５に示されるような波面収差に改善される。
【００６２】
このとき、各輪帯半径を規定する開口数ＮＡ１〜ＮＡ３は、下記の範囲にあることが、ＣＤ波長λ2 での波面収差を低減する上で好ましい。
【００６３】
０．１３≦ＮＡ１≦０．１７
０．２０≦ＮＡ２≦０．２６
０．３７≦ＮＡ３≦０．４２
０．４３≦ＮＡ４≦０．４４
・・・（７）
次に、本発明の対物レンズ１とビームスプリッタ用ホログラム６が形成された基板とをホルダー７に一体化し、光ヘッド装置に組み込んだ構成例を図７に示す。
【００６４】
このホログラム６としては、複屈折性を有する高分子液晶の薄膜に格子状の凹凸部を設け、この高分子液晶の常光屈折率と略等しい屈折率を有する光学的等方性材料で、高分子液晶の薄膜の凹凸部を充填した偏光ホログラムを用いた。この偏光ホログラムは、入射する光の偏光方向により回折効率が異なるもので、半導体レーザから光ディスクに向かう往路では高透過率の偏光方向を利用し、また、復路ではλ／４板６２を往復することにより偏光方向を９０°回転させ高回折効率の偏光方向を利用し、光検出器に光を導くことができる。ここで用いたλ／４板６２は、２つの波長λ1 ＝６４０ｎｍとλ2 ＝７８０ｎｍの平均の波長に対する１／４の位相差波長板とした。
【００６５】
図７の光ヘッド装置において、光源は、ＤＶＤ系光ディスク用の波長６４０ｎｍの半導体レーザ７１Ａと、ＣＤ系光ディスク用の波長７８０ｎｍの半導体レーザ７１Ｂであり、光源出射光はそれぞれのコリメートレンズ７３Ａ、７３Ｂを透過し、波長選択性プリズムミラー７４により光軸を一致させ、本発明の対物レンズ１と偏光ホログラム素子６とがホルダー７に一体化された複合素子８を透過する。また、この複合素子８には、λ／４板６２が偏光ホログラム素子６に接合されている。この透過光は、対物レンズ１により光ディスク４５の光情報記録媒体面に集光する。
【００６６】
この光ディスク４５のピット情報を有した反射光は再び複合素子８を透過し、偏光ホログラム６により光軸がわずかに曲げられ、各光検出器７２Ａ、７２Ｂに到達する。λ／４板６２の役割は上記した通りである。
【００６７】
図中には示されていないが、対物レンズ１により光ディスク４５の光情報記録媒体面のトラック上に記録されたピットに常時入射光束を集光するために、複合素子８を光軸方位と光ディスク半径方位に移動可能な２次元アクチュエータに組み付けて、フォーカシング及びトラッキング調整が行われる。
【００６８】
ここで、ＤＶＤ系の光ディスク用の半導体レーザを７１Ｂ、ＣＤ系の光ディスク用の半導体レーザを７１Ａとしてもよい。この場合、波長選択性プリズムミラー７４の反射特性は上記の場合と異なり、波長６４０ｎｍの光を反射することとなる。
【００６９】
以上、本発明の対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、ＤＶＤ系及びＣＤ系の光ディスクの記録再生時に、本発明の対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置を用いることにより、ＲＭＳ波面収差を安定してマレシャルの基準値以下の小さな値に維持することが可能となる。これによって、光ディスクからの反射光である情報光のノイズが低減され、安定した記録再生が可能となる。
【００７１】
また、本発明の対物レンズとビームスプリッタ用ホログラムが形成された基板とをホルダーに一体化することにより、光ヘッド装置の構成部品点数を減らすことができ、小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対物レンズをＤＶＤ系光ディスクに用いた場合とＣＤ系光ディスクに用いた場合の断面図である。
【図２】本発明の対物レンズの一例の平面図と断面図である。
【図３】本発明の対物レンズに形成された輪帯状の複数の曲面を示す断面図である。
【図４】本発明の対物レンズとビームスプリッタ用ホログラムとがホルダーに一体化された一例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１の対物レンズをＣＤ系光ディスクに用いた場合のＮＡが０．４５までの波面収差図である。
【図６】本発明の実施例２の対物レンズをＣＤ系光ディスクに用いた場合のＮＡが０．６までの波面収差図である。
【図７】本発明の対物レンズを用いた光ヘッド装置の構成例を示す概念図である。
【図８】従来の対物レンズの一例を示す断面図である。
【図９】従来の対物レンズをＣＤ系光ディスクに用いた場合に発生する波面収差図である。
【符号の説明】
１…対物レンズ
２…対物レンズの輪帯状屈折曲面
２Ａ…対物レンズの屈折曲面（従来）
３…対物レンズの屈折曲面
４…ＤＶＤ用光ディスク
５…ＣＤ用光ディスク
６…ビームスプリッタ用ホログラムが形成された基板
７…ホルダー
８…複合素子
１１…対物レンズの開口数ＮＡ１以内の領域に形成された輪帯曲面
１２…対物レンズの開口数ＮＡ１以上ＮＡ２以下の領域に形成された輪帯曲面
１３…対物レンズの開口数ＮＡ２以上ＮＡ３以下の領域に形成された輪帯曲面
１４…対物レンズの開口数ＮＡ３以上ＮＡ４以下の領域に形成された輪帯曲面
１５…対物レンズの開口数ＮＡ４以上ＮＡ５以下の領域に形成された輪帯曲面
１６…対物レンズの開口数ＮＡ５以上ＮＡ６以下の領域に形成された輪帯曲面
４５…光ディスク
６１…ビームスプリッタ用ホログラム
６２…λ／４板
７１Ａ、７１Ｂ…半導体レーザ
７２Ａ、７２Ｂ…光検出器
７３Ａ、７３Ｂ…コリメートレンズ
７４…波長選択性ビームスプリッタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク等の光記録媒体用の記録装置や再生装置等に用いる光ヘッド装置用対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ−Ｒを含むＣＤ系の光記録媒体（以後、光ディスクで代表する。）の記録再生のために、光源として波長が７８０ｎｍ帯の半導体レーザとＮＡ（開口数）が０．４５の対物レンズ、及び、厚さが１．２ｍｍの光ディスクが使用される。一方、ＤＶＤ系の光ディスクの記録再生には、光源として波長が６４０ｎｍ帯の半導体レーザとＮＡが０．６の対物レンズ、及び、厚さが０．６ｍｍの光ディスクが使用される。
【０００３】
したがって、一つの光ヘッド装置でＣＤ系とＤＶＤ系両方の光ディスクの記録再生を実現させるには、ＣＤ系とＤＶＤ系用それぞれの発振波長の半導体レーザを２個、及び、それぞれのＮＡに対応した２個の対物レンズを使用する。しかし、この方式では、光学系が２系統となるため、光ヘッド装置の体積が大きく、重量も重く、部品点数が多いため、組立工程が複雑である等の欠点があった。
【０００４】
これらの欠点を解決するため、波長の異なる半導体レーザからの光を波長選択性の合成分離ミラーで合成分離し、同一の対物レンズを使用してコンパクトな光ヘッド装置を構成することが提案されているが、前述のように、ＣＤ系とＤＶＤ系の光ディスクでは対物レンズに要求されるＮＡが異なるため、両系の光ディスクを同一の対物レンズを使用して記録再生する場合、対物レンズのＮＡを波長に応じて変える必要があった。
【０００５】
この波長に応じてＮＡを変える方法として、光軸を含む対物レンズの中心領域では２つの波長帯の光は直進透過させ、光軸を含まない対物レンズの周辺領域では大きなＮＡが必要な波長６４０ｎｍの光は直線的に透過させ、小さなＮＡでもよい波長７８０ｎｍの光は反射させる機能を有した波長選択性の絞りを、光ディスクと光源との間に配置することにより、ＣＤ系とＤＶＤ系での光ディスクの波長に対するＮＡの切替を行っている。しかし、ＣＤ系とＤＶＤ系では光ディスクの厚さが異なるので、発生する球面収差をこのような開口制御（ＮＡ制御）のみでは十分に低減させることは困難であった。
【０００６】
この問題を解決する従来の手段は、例えば「光学」第２８巻第２号１９９９年６４−７０項に概説され、大別して２種の方策がある。すなわち、ＤＶＤ系で波面収差が最小となるように設計された対物レンズの表面に輪帯状に段差を形成し、ＤＶＤ系での波面収差増大を抑制しつつＣＤ系での波面収差を減少させる輪帯位相補正レンズ方式と、対物レンズとは別に平面形状が環状で断面形状が階段状の溝を基板に形成した素子を配置する位相制御素子方式である。
【０００７】
輪帯位相補正レンズ方式は、例えば特開平１１−２７５９号や特開平１１−１６１９０号にその実施例が記載されている。何れも、輪帯位相補正段差のない連続面対物レンズに比べて、ＣＤのＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差は改善されているが、ＤＶＤの波面収差は劣化する傾向にある。この原因は、従来の輪帯位相補正面は同一の曲面を光軸方位に平行移動して段差を形成しているため、輪帯毎にその焦点位置が段差分だけ変化することによる。段差をＤＶＤ系の波長に対して略整数倍とすることにより、ＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差の増大を抑制し、ＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減する効果は発現するが、改良の余地を残していた。
【０００８】
位相制御素子方式の場合、例えば特開平１０−３３４５０４号に記載されるように、ＤＶＤ波長に対して位相制御素子は位相分布をほとんど変化させないため、ＲＭＳ波面収差はＤＶＤ系に最適設計された対物レンズの値を維持し、ＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減するように作用するため、記録再生性能が波面収差に敏感なＤＶＤ系に対して有効である。しかし、位相制御素子は対物レンズと分離した構成であるため、位相制御素子と対物レンズとの偏心が許容値以上に生じるとＣＤのＲＭＳ波面収差の低減作用が機能しなくなるといった問題があった。
【０００９】
また、光ディスク用の光ヘッド装置においては、半導体レーザからの出射光が光ディスクで反射されて戻り光となり、この戻り光をビームスプリッタを用いて光検出器である受光素子に導く必要がある。このビームスプリッタとして、異なる波長の半導体レーザ光を合成分離するための前述の合成分離ミラーに加えて、この合成分離ミラーによって分離されたそれぞれの波長の光を上記の受光素子へ導くためのハーフミラーがさらに必要となる。したがって、部品点数が多くなると共に、組立工程が複雑となり、生産性が下がる。また、このハーフミラーは通常入射光方向に対し９０°方向に光を反射するように使用するために、光ヘッド装置の小型化も困難であった。
【００１０】
光ヘッド装置の小型化のために、このビームスプリッタとしてホログラム素子を用いることが提案されている。このホログラフィックビームスプリッタは、光の進行方向を回折によって曲げて、半導体レーザの近くに配置した受光素子に光を導くことができる。
【００１１】
このホログラフィックビームスプリッタを半導体レーザと対物レンズとの間の半導体レーザに近い側に配置すると、２つの異なる波長の半導体レーザの近くにそれぞれのホログラム素子が必要となり、部品点数が増加する。また、特にＤＶＤ系の光ディスクの再生時には、ホログラム素子を対物レンズと一体に駆動した方がトラッキングの精度が高くなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術が有していた前述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、輪帯位相補正レンズ方式の対物レンズであって、異なる２つの波長で光ディスクの記録再生時に何れもＲＭＳ波面収差が改善された対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の対物レンズは、２つの波長λ1 とλ2 （λ1 ＜λ2 ）のレーザ光源からの波面の位相が揃っている光束を集光光学系によりそれぞれの波長において異なる厚さｔ1 とｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）の基板越しに光記録媒体の情報記録面に集光し、情報記録面上に情報を記録又は情報記録面上の情報を再生する光ヘッド装置の対物レンズにおいて、集光光学系に用いられる波長λ 1 における屈折率ｎの対物レンズは、入射光束の開口数の異なる領域に光軸に回転対称な輪帯状の少なくとも５つの屈折曲面を有すると共に、その境界域で段差をなし、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ１からＮＡ２の領域の輪帯段差をｄ１２、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ２からＮＡ３の領域の輪帯段差をｄ１３、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ３からＮＡ４の領域の輪帯段差をｄ１４、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ４からＮＡ５の領域の輪帯段差をｄ１５とすると、開口数ＮＡ１〜ＮＡ５と輪帯段差ｄ１２〜ｄ１５は、
０．１０≦ＮＡ１＜ＮＡ２＜ＮＡ３＜ＮＡ４＜ＮＡ５≦０．６５
の関係を満たすと共に、
０．６０×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１２≦１．４０×λ1 ／（ｎ−１）
１．８４×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１３≦２．１６×λ1 ／（ｎ−１）
０．８８×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１４≦１．１２×λ1 ／（ｎ−１）
−０．１２×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１５≦０．１２×λ1 ／（ｎ−１）
の関係を満たし、かつ、波長λ1 の対物レンズ入射光に対する前記の少なくとも５つの輪帯状屈折曲面各々による集光点位置が略一致するように、段差をなして隣接する輪帯状屈折曲面の面形状が相互に異なることを特徴とするものである。
【００１４】
この場合に、２つの波長λ1 とλ2 が、６２０ｎｍ≦λ1 ≦６８０ｎｍ、及び、７５０ｎｍ≦λ2 ≦８２０ｎｍであり、光記録媒体の基板厚さが、ｔ1 ＝０．６ｍｍ、及び、ｔ2 ＝１．２ｍｍであり、開口数ＮＡ１〜ＮＡ５は、
０．１０≦ＮＡ１≦０．１８
０．１９≦ＮＡ２≦０．２７
０．３６≦ＮＡ３≦０．４２
０．４３≦ＮＡ４≦０．４５
０．４５≦ＮＡ５≦０．６５
・・・（３）
を満たすと共に、波長λ1 の光束は対物レンズの開口数略０．６に相当する領域を利用し、波長λ2 の光束は対物レンズの開口数略０．４５に相当する領域を利用することを特徴とするものである。
【００１５】
以上の対物レンズを用いて光ヘッド装置を構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の対物レンズの構成例を示す断面図である。１は対物レンズ、２は対物レンズ１に形成された輪帯状の複数の屈折曲面、３は対物レンズ１のもう片方の屈折曲面を示す。この輪帯状の複数の屈折曲面２は、厚さ０．６ｍｍのＤＶＤ系光ディスク４、及び、厚さ１．２ｍｍのＣＤ系光ディスク５に対して波面収差が最小となるように設計されている。図１（ａ）は、ＤＶＤ系の光ディスク４にＮＡが０．６に相当する光束が集光される様子を示し、図１（ｂ）は、ＣＤ系の厚さ１．２ｍｍの光ディスク５にＮＡが０．４５に相当する光束が集光される様子を示している。
【００１７】
本発明の対物レンズ１の例として、その平面図と断面図をそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）に示す。輪帯状の複数の屈折曲面２は、開口数ＮＡの小さな順にＮＡ１からＮＡ６に至る６種類の輪帯屈折曲面１１〜１６からなる。図３に、屈折曲面２の拡大断面図を示す。対物レンズ１の回転対称軸と対物レンズ１の屈折面とが交わる対物レンズ１の頂点に対して、それぞれの複数の屈折曲面１２、１３、１４、１５、１６を対称軸まで延長しその対称軸と交わる対称軸上における面間隔が、ｄ１２，ｄ１３，ｄ１４，ｄ１５，ｄ１６となるような段差を有する曲面２となっている。
【００１８】
図３には、ＮＡ５〜ＮＡ６の領域に段差ｄ１６が形成された例が示されているが、段差ｄ１６がなく、曲面１５と曲面１６が同一屈折曲面であっても構わない。
【００１９】
これらの輪帯屈折曲面１１〜１６の面形状、段差ｄ１２〜ｄ１６、及び、輪帯半径の分割域は、各輪帯に入射する光束が波長λ1 でＮＡ＝０．６のＤＶＤ系光ディスク、及び、波長λ2 でＮＡ＝０．４５のＣＤ系光ディスクに対して、ＲＭＳ波面収差が１゜以内の斜入射光束について、それぞれ０．０７λ1 以下、及び、０．０７λ2 以下となるように設計する。
【００２０】
図１及び図２では、光ディスク４、５と反対側の対物レンズ屈折曲面２に複数の輪帯状の屈折曲面１１〜１６を形成した例が示されているが、光ディスク４、５側の対物レンズ屈折曲面３に形成されていても構わない。輪帯境界域の段差による陰を低減するためには、略平行光束が入射する光ディスク４、５と反対側の対物レンズ屈折曲面２に形成することが好ましい。
【００２１】
本発明の対物レンズ１に形成された輪帯屈折曲面１１〜１６の段差ｄ１２〜ｄ１６、輪帯半径の分割域及び面形状について以下に記す。
【００２２】
厚さ０．６ｍｍのＤＶＤ系光ディスク４に対して、ＲＭＳ波面収差が０．０２λ1 以下となるように設計された段差のない単一曲面２Ａと単一曲面３（表２）を有する対物レンズ１を、厚さ１．２ｍｍのＣＤ系光ディスク５に用いると、図９に示すような光ディスクの厚さの相違に起因した球面収差が発生する。この図は、位相差の断面を表しており、実際には３次元的で周辺部の盛り上がったドーナツ状で、かつ、環状である。
【００２３】
対物レンズ１に形成された輪帯段差ｄ１２〜ｄ１６により生じる位相ずれが、ＤＶＤ系の波長λ1 の略整数倍に等しい場合、波長λ1 に対しては、これらの段差形成に伴う輪帯屈折曲面１１〜１６通過後の波面収差の変化はない。このような段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）は、対物レンズ１の屈折率をｎとすると、次の式（４）で記述される。
【００２４】
ｄｉ＝ｍ・λ1 ／（ｎ−１）： ｍ＝１，２，３，… ・・・（４）
一方、ＣＤ波長λ2 においては、各輪帯屈折曲面１１〜１６の段差形成に伴い、次の式（５）に相当した位相差が発生する。
【００２５】
２π・（ｎ−１）ｄｉ／λ2 ＝２π・ｍ・λ1 ／λ2 ・・・（５）
このような性質を利用して、図９に示された波長λ2 の波面収差を低減するように、段差の輪帯屈折曲面１１〜１６の開口数領域と段差の深さｄｉ、すなわち、式（４）の整数値ｍを定めればよい。なお、図９に示された波長λ2 の波面収差は、上記のように、光ディスク４から光ディスク５へ切り換えた際の光ディスクの厚さの相違に起因した波面収差である。
【００２６】
具体的には、前記の式（１）の関係を満たす対物レンズ１の開口数領域に、式（２）で記述される深さの段差ｄ１２〜ｄ１５を形成すればよい。さらに、各輪帯屈折曲面１１〜１５の開口数領域は、式（３）で記述される領域範囲であることが好ましい。
【００２７】
一方、このような輪帯状の段差ｄ１２〜ｄ１６の形成により、各輪帯域の光軸上の焦点位置が段差の深さｄｉに相当する量でシフトするため、対物レンズ１の焦点面位置においては波面収差が劣化する。この各輪帯屈折面１１〜１６の光軸上の焦点位置シフトをなくし、略同一集光点となるように、各輪帯屈折面の曲面形状を設計することにより、波長λ1 での波面収差劣化を低減することができる。具体的な設計例は後述の実施例に示す。
【００２８】
ここで、略同一集光点の意味は、入射角０°で入射する波長λ1 の入射光に対する対物レンズ１の波面収差が０．０７λ1 以下になることである。
【００２９】
屈折曲面２及び屈折曲面３の形状が最適化され仕様の定まった本発明の対物レンズ１は、例えば、ガラスあるいは樹脂の母材を設計値に対応した面形状を有する金型を用いて精密成形することにより作製される。
【００３０】
また、ＤＶＤ系とＣＤ系の光ディスクでは要求されるＮＡが異なり、ＣＤ系の光ディスク再生時にはＮＡがＤＶＤ系のそれより小さく、対物レンズの周辺部を使用しないように制限することが好ましい。そのため、ＣＤ系の光ディスク再生時には、対物レンズ１の周辺部透過光の位相がずれるように光学設計し、光ディスク面上に集光しないように収差を発生させることにより、実質的に開口制御できる。この場合は、波長選択性の開口制御フィルタを省くことができ、使用部品の点数が減らせて好ましい。
【００３１】
具体的には、図２に示した対物レンズの輪帯状屈折曲面２において、ＤＶＤ系で用いられＣＤ系では用いられないＮＡが０．４５〜０．６の領域に対応した開口数ＮＡ５〜ＮＡ６の輪帯曲面１６にも段差ｄ１６を形成し、ＤＶＤ系波長λ1 ＝６４０ｎｍの光束に対しては波面収差を劣化させないが、ＣＤ系波長λ2 ＝７８０ｎｍの光束に対しては光学系のＮＡが０．４５以下の波面収差に対してＮＡが０．４５〜０．６の波面収差の差異が大きくなるように段差ｄ１６及び曲面を規定すれば、有効な波長選択性の開口制御フィルタとして作用する。
【００３２】
さらに、この対物レンズ１とビームスプリッタ用ホログラム６１を形成したホログラム用の基板６とを単一のホルダー７を用いて一体化した複合体８の構成例の断面図を図４に示す。ここで、ビームスプリッタ用ホログラム６１は、光ディスクに向かう往路と光ディスクから光検出器に向かう復路の光路を分離するためのものである（図７）。このように対物レンズ１とビームスプリッタ用ホログラム６１を形成したホログラム用の基板６とをホルダー７を用いて一体化することで、部品点数を減らすと共に、小型化や軽量化につながり、さらには光ヘッド装置の組立が容易になる。
【００３３】
このビームスプリッタ用ホログラム６１にさらにλ／４板等の波長板を一体化することにより、光ディスクへ向かう光及び光ディスクからの反射戻り光の偏光特性を制御できて、さらに好ましい。
【００３４】
また、開口制御用にＤＶＤ系の波長光束を透過し、ＣＤ系の波長光束を反射又は回折するダイクロイックフィルターを、このホログラム用の基板６のＮＡが０．４５〜０．６の輪帯領域に一体化して形成してもよい。
【００３５】
【実施例】
以下、図面を参照しながら本発明の対物レンズ及びそれをそれを用いた光ヘッド装置の実施例について説明する。ここで使用した２つの半導体レーザの発振波長は、λ1 ＝６４０ｎｍとλ2 ＝７８０ｎｍである。光線追跡に用いた対物レンズのＤＶＤ系及びＣＤ系の光ディスクに対する仕様を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
Ｚ（ｒ）＝ｃｒ2 ／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｃ2 ｒ2 ｝1/2 ］
＋Ａ2 ｒ2 ＋Ａ4 ｒ4 ＋Ａ6 ｒ6
・・・（ａ）
本例では、非球面係数を６次までとしたが、さらに高次項を用いてもよい。
【００３９】
この対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を、入射角０゜〜１゜の平行光の場合について表３に従来例としてまとめた。ＤＶＤ系ではＮＡ＝０．６の光束について、ＣＤ系ではＮＡ＝０．４５の光束についての計算結果である。
【００４０】
【表３】
ＲＭＳ波面収差（従来例）
【００４１】
次に、この面形状を初期値として、図３に示したような６輪帯の段差を設定し、ＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差を劣化させないでＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減するように、各輪帯の最小ＮＡと最大ＮＡ、段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）、屈折曲面形状を光線追跡により設計した。屈折曲面２の非球面定数は２次の非球面係数Ａ2 のみを用い、正弦条件を考慮して軸外１゜までの斜入射光束に対してもＲＭＳ波面収差の劣化が少ない設計条件とした。
【００４２】
この場合は輪帯番号ｉ（ｉ＝１２〜１６）の面形状Ｚi （ｒ）は次式（ｂ）で記述される。
【００４３】
Ｚi （ｒ）＝ｄｉ＋ｃｒ2 ／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｃ2 ｒ2 ｝1/2 ］＋Ａ2 ｒ2
・・・（ｂ）
実施例１として、本発明の対物レンズにおける屈折曲面２の輪帯面形状の仕様を表４にまとめた。屈折曲面３の仕様は表２と同じである。また、数値は小数点５桁までの記載とした。
【００４４】
【表４】
屈折曲面２の仕様（実施例１）
【００４５】
本実施例の対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を表５にまとめた。
【００４６】
【表５】
ＲＭＳ波面収差（実施例１）
【００４７】
また、このときのＣＤ系の波面収差図を図５に示す。図９の従来例に対して輪帯状に位相補正されることでＲＭＳ波面収差が減少している。
【００４８】
比較例として、表２に示した面形状の対物レンズにおいて、屈折曲面２として実施例１と同じ最小・最大ＮＡの輪帯域にＤＶＤ系の波長λ1 ＝６４０ｎｍに対して波長の整数倍の位相差に相当する段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）を形成し、ＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減する手法を用いて計算した。その屈折曲面２の仕様を表６に示す。
【００４９】
【表６】
屈折曲面２の仕様（比較例）
【００５０】
本比較例の対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を表７にまとめた。
【００５１】
【表７】
ＲＭＳ波面収差（比較例）
【００５２】
実施例１ではＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差を劣化させないでＣＤ系のＲＭＳ波面収差を低減するように各輪帯の最小・最大ＮＡ、段差の深さｄｉ（ｉ＝１２〜１６）、屈折曲面形状を設計したが、ＤＶＤ系のＲＭＳ波面収差を許容範囲内で劣化させ、その分ＣＤ系のＲＭＳ波面収差をさらに低減するような設計も可能である。その例として、以下に実施例２として設計結果を記す。
【００５３】
実施例２における屈折曲面２の輪帯面形状の仕様を表８に、屈折曲面３の仕様を表９に示す。数値は小数点５桁までの記載とした。
【００５４】
【表８】
屈折曲面２の仕様（実施例２）
【００５５】
【表９】
屈折曲面３の仕様（実施例２）
Ｒ(mm) -2.930297
ｋ -10.171
Ａ2(mm-1) 0.1108536
Ａ4(mm-3) -0.01209609
Ａ6(mm-5) 0.001447053
本実施例の対物レンズをＤＶＤ系光ディスク及びＣＤ系光ディスクに適用したときのＲＭＳ波面収差の計算結果を表１０にまとめた。
【００５６】
【表１０】
ＲＭＳ波面収差（実施例２）
【００５７】
また、ＣＤ系において、ＮＡが０．６までの波面収差を図６に示す。実線は本実施例の輪帯番号１６の段差Ｚ１６がある場合を、点線は段差のない場合を示す。したがって、ＮＡが０．４５以上の領域では、ＣＤ系の波面収差は元々大きな値であるが、上記段差を形成することによりさらに増大する。このような光束は信号読み出しに寄与しないため、実効的に開口制御として働く。
【００５８】
以上において、波長λ1 における対物レンズの屈折率をｎ1 とすると、実施例１及び実施例２の何れにおいても、波長λ1 に対して輪帯１２及び１４の領域では略１波長分の光路差に相当する段差λ1 ／（ｎ1 −１）が形成され、輪帯１３の領域では略２波長分の光路差に相当する段差２×λ1 ／（ｎ1 −１）が形成されている。このような輪帯状の段差を形成することにより、各輪帯域の光軸上の焦点位置がシフトするが、各輸帯面の曲面形状を変えることにより、各輪帯域の光軸上の焦点位置を同一となるようにしてＲＭＳ波面収差の劣化をなくしている。したがって、ＤＶＤ波長λ1 における輪帯段差形成に伴うＲＭＳ波面収差の劣化は抑制される。
【００５９】
輪帯面の面形状が異なる場合、図３において規定される輪帯の段差ｄｉ（ｉ＝１２〜１６）はλ1 ／（ｎ1 −１）の整数倍から若干ずれた（２）式で示される範囲で、光路差が波長λ1 の整数倍となる。
【００６０】
一方、ＣＤ波長λ2 においては、波長λ2 における対物レンズの屈折率をｎ2 とすると、上記輪帯状の段差を形成することにより、輪帯１２及び１４の領域では、以下の式（６）の１倍、輪帯１３の領域では２倍の、波長λ2 を単位とした光路差が発生する。
【００６１】
｛λ1 ／（ｎ1 −１）｝×｛（ｎ2 −１）／λ2 ｝
＝（λ1 ／λ2 ）×（ｎ2 −１）／（ｎ1 −１） ・・・（６）
具体的には、λ1 ＝６４０ｎｍ、λ2 ＝７８０ｎｍ、ｎ1 ≒ｎ2 とおくと、（λ1 ／λ2 ）×（ｎ2 −１）／（ｎ1 −１）＝０．８２となる。すなわち、輪帯段差のない場合の波面収差である図９に示した球面収差に対して、輪帯１２及び１４の領域では、（１−０．８２）＝０．１８λ2 分波面収差を差し引く補正として作用し、輪帯１３の領域では、２×（１−０．８２）＝０．３６λ2 分波面収差を差し引く補正として作用するため、図５に示されるような波面収差に改善される。
【００６２】
このとき、各輪帯半径を規定する開口数ＮＡ１〜ＮＡ３は、下記の範囲にあることが、ＣＤ波長λ2 での波面収差を低減する上で好ましい。
【００６３】
０．１３≦ＮＡ１≦０．１７
０．２０≦ＮＡ２≦０．２６
０．３７≦ＮＡ３≦０．４２
０．４３≦ＮＡ４≦０．４４
・・・（７）
次に、本発明の対物レンズ１とビームスプリッタ用ホログラム６が形成された基板とをホルダー７に一体化し、光ヘッド装置に組み込んだ構成例を図７に示す。
【００６４】
このホログラム６としては、複屈折性を有する高分子液晶の薄膜に格子状の凹凸部を設け、この高分子液晶の常光屈折率と略等しい屈折率を有する光学的等方性材料で、高分子液晶の薄膜の凹凸部を充填した偏光ホログラムを用いた。この偏光ホログラムは、入射する光の偏光方向により回折効率が異なるもので、半導体レーザから光ディスクに向かう往路では高透過率の偏光方向を利用し、また、復路ではλ／４板６２を往復することにより偏光方向を９０°回転させ高回折効率の偏光方向を利用し、光検出器に光を導くことができる。ここで用いたλ／４板６２は、２つの波長λ1 ＝６４０ｎｍとλ2 ＝７８０ｎｍの平均の波長に対する１／４の位相差波長板とした。
【００６５】
図７の光ヘッド装置において、光源は、ＤＶＤ系光ディスク用の波長６４０ｎｍの半導体レーザ７１Ａと、ＣＤ系光ディスク用の波長７８０ｎｍの半導体レーザ７１Ｂであり、光源出射光はそれぞれのコリメートレンズ７３Ａ、７３Ｂを透過し、波長選択性プリズムミラー７４により光軸を一致させ、本発明の対物レンズ１と偏光ホログラム素子６とがホルダー７に一体化された複合素子８を透過する。また、この複合素子８には、λ／４板６２が偏光ホログラム素子６に接合されている。この透過光は、対物レンズ１により光ディスク４５の光情報記録媒体面に集光する。
【００６６】
この光ディスク４５のピット情報を有した反射光は再び複合素子８を透過し、偏光ホログラム６により光軸がわずかに曲げられ、各光検出器７２Ａ、７２Ｂに到達する。λ／４板６２の役割は上記した通りである。
【００６７】
図中には示されていないが、対物レンズ１により光ディスク４５の光情報記録媒体面のトラック上に記録されたピットに常時入射光束を集光するために、複合素子８を光軸方位と光ディスク半径方位に移動可能な２次元アクチュエータに組み付けて、フォーカシング及びトラッキング調整が行われる。
【００６８】
ここで、ＤＶＤ系の光ディスク用の半導体レーザを７１Ｂ、ＣＤ系の光ディスク用の半導体レーザを７１Ａとしてもよい。この場合、波長選択性プリズムミラー７４の反射特性は上記の場合と異なり、波長６４０ｎｍの光を反射することとなる。
【００６９】
以上、本発明の対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、ＤＶＤ系及びＣＤ系の光ディスクの記録再生時に、本発明の対物レンズ及びそれを用いた光ヘッド装置を用いることにより、ＲＭＳ波面収差を安定してマレシャルの基準値以下の小さな値に維持することが可能となる。これによって、光ディスクからの反射光である情報光のノイズが低減され、安定した記録再生が可能となる。
【００７１】
また、本発明の対物レンズとビームスプリッタ用ホログラムが形成された基板とをホルダーに一体化することにより、光ヘッド装置の構成部品点数を減らすことができ、小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対物レンズをＤＶＤ系光ディスクに用いた場合とＣＤ系光ディスクに用いた場合の断面図である。
【図２】本発明の対物レンズの一例の平面図と断面図である。
【図３】本発明の対物レンズに形成された輪帯状の複数の曲面を示す断面図である。
【図４】本発明の対物レンズとビームスプリッタ用ホログラムとがホルダーに一体化された一例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１の対物レンズをＣＤ系光ディスクに用いた場合のＮＡが０．４５までの波面収差図である。
【図６】本発明の実施例２の対物レンズをＣＤ系光ディスクに用いた場合のＮＡが０．６までの波面収差図である。
【図７】本発明の対物レンズを用いた光ヘッド装置の構成例を示す概念図である。
【図８】従来の対物レンズの一例を示す断面図である。
【図９】従来の対物レンズをＣＤ系光ディスクに用いた場合に発生する波面収差図である。
【符号の説明】
１…対物レンズ
２…対物レンズの輪帯状屈折曲面
２Ａ…対物レンズの屈折曲面（従来）
３…対物レンズの屈折曲面
４…ＤＶＤ用光ディスク
５…ＣＤ用光ディスク
６…ビームスプリッタ用ホログラムが形成された基板
７…ホルダー
８…複合素子
１１…対物レンズの開口数ＮＡ１以内の領域に形成された輪帯曲面
１２…対物レンズの開口数ＮＡ１以上ＮＡ２以下の領域に形成された輪帯曲面
１３…対物レンズの開口数ＮＡ２以上ＮＡ３以下の領域に形成された輪帯曲面
１４…対物レンズの開口数ＮＡ３以上ＮＡ４以下の領域に形成された輪帯曲面
１５…対物レンズの開口数ＮＡ４以上ＮＡ５以下の領域に形成された輪帯曲面
１６…対物レンズの開口数ＮＡ５以上ＮＡ６以下の領域に形成された輪帯曲面
４５…光ディスク
６１…ビームスプリッタ用ホログラム
６２…λ／４板
７１Ａ、７１Ｂ…半導体レーザ
７２Ａ、７２Ｂ…光検出器
７３Ａ、７３Ｂ…コリメートレンズ
７４…波長選択性ビームスプリッタ
Claims (1)
- ２つの波長λ1 とλ2 （λ1 ＜λ2 ）のレーザ光源からの波面の位相が揃っている光束を集光光学系によりそれぞれの波長において異なる厚さｔ1 とｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）の基板越しに光記録媒体の情報記録面に集光し、情報記録面上に情報を記録又は情報記録面上の情報を再生する光ヘッド装置の対物レンズにおいて、集光光学系に用いられる波長λ 1 における屈折率ｎの対物レンズは、入射光束の開口数の異なる領域に光軸に回転対称な輪帯状の少なくとも５つの屈折曲面を有すると共に、その境界域で段差をなし、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ１からＮＡ２の領域の輪帯段差をｄ１２、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ２からＮＡ３の領域の輪帯段差をｄ１３、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ３からＮＡ４の領域の輪帯段差をｄ１４、開口数ＮＡ１の中心部の輪帯屈折曲面に対する開口数ＮＡ４からＮＡ５の領域の輪帯段差をｄ１５とすると、開口数ＮＡ１〜ＮＡ５と輪帯段差ｄ１２〜ｄ１５は、
０．１０≦ＮＡ１＜ＮＡ２＜ＮＡ３＜ＮＡ４＜ＮＡ５≦０．６５
の関係を満たすと共に、
０．６０×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１２≦１．４０×λ1 ／（ｎ−１）
１．８４×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１３≦２．１６×λ1 ／（ｎ−１）
０．８８×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１４≦１．１２×λ1 ／（ｎ−１）
−０．１２×λ1 ／（ｎ−１）≦ｄ１５≦０．１２×λ1 ／（ｎ−１）
の関係を満たし、かつ、波長λ1 の対物レンズ入射光に対する前記の少なくとも５つの輪帯状屈折曲面各々による集光点位置が略一致するように、段差をなして隣接する輪帯状屈折曲面の面形状が相互に異なることを特徴とする対物レンズ。
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