JP4465200B2 - 光ピックアップ装置および光ピックアップ用対物レンズ - Google Patents

Description

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。

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。

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の光学系を用い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。

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、波長の異なる各光束に対する結像倍率を調整した対物レンズを光ピックアップ装置に搭載する技術が挙げられる。該対物レンズは、各光ディスクの保護層厚の差によって生じる球面収差を、各光束の波長差に起因して該レンズの屈折率が変化することにより生じる球面収差によって打ち消すことにより補正している。

上記のような構成の対物レンズは、例えば以下の特許文献１に開示される。

特開平９−３０６０２４号公報

特許文献１は、ＤＶＤ等の記録密度の高い光ディスク使用時に用いられる高ＮＡなレーザー光が平行光ではなく収束光として入射するように構成された、規格の異なる二種類の光ディスクに互換性を持つ対物レンズを開示している。このように対物レンズを構成することにより、ＤＶＤ等の記録密度の高い光ディスク使用時に温度変化による収差劣化を抑えつつＣＤ等の記録密度の低い光ディスク使用時にトラッキングすることにより起こる性能の劣化を抑えようと試みている。

ところで近年、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ＨＤ ＤＶＤ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。

ＨＤ ＤＶＤ等の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、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、あくまで規格の異なる二種類の光ディスク、特にＣＤとＤＶＤに互換性を持つように設計されている。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、光ピックアップ装置、より具体的には該装置に搭載される光ピックアップ用対物レンズのさらなる改善が望まれていた。

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し、しかも既存の比較的記録密度の低い光ディスク使用時にトラッキングした場合の性能の劣化を良好に抑えることができる光ピックアップ装置および該装置に搭載される光ピックアップ用対物レンズを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の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ための装置であって、対物レンズを備え、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ｔ３、は、ｔ１≦ｔ２＜ｔ３の関係にあり、
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ＮＡ３、は、ＮＡ１≧ＮＡ２＞ＮＡ３の関係にあり、
第一の波長の光束は収束光が、第二及び第三の波長の光束は発散光が入射するように対物レンズが配置されており、第一の光ディスクに対する情報の記録または再生時における、結像倍率をｍ１、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、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、は、ｍ１＞０、ｍ３＜ｍ２＜０の関係にあることを特徴とする。

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（例えば、ＨＤ ＤＶＤ等）が該当する。また、第二の光ディスクとは例えばＤＶＤが該当する。第三の光ディスクとは、例えばＣＤやＣＤ−Ｒが該当する。

本発明に係る光ピックアップ用対物レンズは、波長の異なる各光束に対する結像倍率を調整することにより、各光束の波長差に起因する該レンズの屈折率変化と各ディスクの保護層厚の差による相対的な球面収差を補正している。具体的には、第一の波長の光束は収束光を、第二及び第三の波長の光束は発散光を対物レンズに入射させる。このように設計することにより、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。

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性能劣化が不可避となる。トラッキング動作時に発生する収差の変化は倍率の絶対値に比例する。すなわち、倍率の絶対値が小さいほど、上記性能劣化を効果的に抑えることができる。また一般に、情報の記録または再生に高いＮＡが要求されるほど、収差許容量が小さくなることが知られている。

そこで、本発明に係る光ピックアップ装置においては、対物レンズを第一の光ディスク使用時には、収束光を、第二及び第三の光ディスク使用時には、ｍ３＜ｍ２＜０を満たすような発散光束を入射させるように構成する。これにより、どの光ディスクを使用した時でも、球面収差を良好に補正するだけでなく、該対物レンズがトラッキングシフトしたことによるコマ収差や非点収差の発生量も実使用上何ら問題ない程度まで十分に小さくできる。

また、第一から第三の光ディスクの保護層厚ｔ１〜ｔ３が、
ｔ１≒０．６ｍｍ
ｔ２≒０．６ｍｍ
ｔ３≒１．２ｍｍ
である場合、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、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、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、焦点距離をｆ３とすると、以下の条件（１）から条件（３）、
０．０２≦ｆ１×ｍ１＜０．０６・・・（１）
−０．０４≦ｆ２×ｍ２≦０．００・・・（２）
−０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）
を満たすことが好ましい。

第一の光ディスク使用時に条件（１）を満たすように対物レンズを構成することにより、該第一の光ディスク使用時におけるトラッキング時の収差を良好に維持しつつも、第二、第三の光ディスク使用時において、結像倍率の絶対値を小さくしてトラッキング時の性能劣化を小さく抑えることができる。条件（１）の上限以上であると、第一の光ディスク使用時におけるトラッキング時の収差が大きく発生してしまうため好ましくない。また、条件（１）の下限を下回ると、第二及び第三の光ディスク使用時において、結像倍率の絶対値が大きくなり、トラッキング時の収差が大きく発生してしまうため好ましくない。

また、条件（２）の上限を上回る、および条件（３）の上限以上であると、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、条件（２）の下限を下回る、および条件（３）の下限以下であると、アンダーな球面収差が発生してしまい好ましくない。

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、球面収差並びにトラッキング時における軸外収差を良好に抑えて各光ディスクの記録面近傍に良好なスポットを形成することができる。

本発明に係る光ピックアップ装置によれば、上記対物レンズは、少なくとも一面に、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数に対応する光束が入射する第一の領域と、該第一の領域の外側に位置しており、第一の波長の光束および第二の波長の光束をそれぞれ対応する各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ような回折構造を有する第二の領域と、有することが望ましい。

より具体的には、該対物レンズの第二の領域の回折構造は、隣接する屈折面間の境界で内側に位置する屈折面を基準とすると、第一の波長の光束に対する光路長付加量が略３波長分、もしくは略−３波長分の段差を有することが好ましい。または該回折構造は、第一の波長の光束に対する光路長付加量が略５波長分、もしくは略−５波長分の段差を有することが好ましい。このように回折構造を設計することにより、第二の領域を透過する第一および第二の波長の光束は、回折効率が殆ど落ちることなく良好に収束する。しかも該回折構造は、該第二の領域を透過する第三の波長の光束の収束には寄与しない、つまり、第三の波長の光束に対する開口制限機能を持つ。

さらに各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に対応する光束径（以下、有効光束径という）が第一および第二の波長の光束において異なる場合、上記対物レンズにおいて、第二の領域の外側に有効光束径の大きい波長の光束のみを効率よく収束させる第三の領域をさらに設けることが望ましい。

具体的には、第一の光束が入射する場合の対物レンズの入射面での有効光束径が、第二の光束が入射する場合の対物レンズの入射面での有効光束径より大きい場合、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。さらに、第三の領域の回折構造は、隣接する屈折面間の境界で内側に位置する屈折面を基準とすると、第一の波長の光束に対する光路長付加量が略１波長分、もしくは略−１波長分の段差を有することが好ましい。

また、第二の光束が入射する場合の対物レンズの入射面での有効光束径が、第一の光束が入射する場合の対物レンズの入射面での有効光束径より大きい場合、上記回折構造には、第二の領域の外側に、第二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、第二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二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。特に本発明は、対物レンズに入射する第一の波長の光を収束光にしている。そのため、入射面での有効光束径は、第一の光束より第二の光束のほうが大きいことがありうる。そのような場合であっても、請求項６に記載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一及び第三の波長の光束を拡散することができる。さらに、第三の領域の回折構造は、隣接する屈折面間の境界で内側に位置する屈折面を基準とすると、第二の波長の光束に対する光路長付加量が略１波長分、もしくは略−１波長分の段差を有することが好ましい。

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、以下の条件（４）、
λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（４）
を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であることが好ましい。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。

上述した光ピックアップ装置に好適に搭載される光ピックアップ用対物レンズは、上記記載に詳細に規定される。上記記載で規定される対物レンズの特徴や効果は、該レンズが搭載される光ピックアップ装置の特徴等として表れる。そのため、本発明に係る対物レンズの特徴等は、上述した光ピックアップ装置の説明を参照する。

以上のように、本発明によれば、各光ディスクの記録面上で発生する収差を結像倍率の調整によって良好に抑えるとともに、各光ディスク使用時の結像倍率の絶対値を小さく抑えている。これにより、既存の光ディスクおよび新規格の光ディスクのいずれを使用した場合であっても、球面収差のみならずトラッキング時に発生する軸外コマ収差を良好に抑えることができる。ひいては、各ディスクの記録面近傍におい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。さらに、対物レンズに所定の回折構造を設けることにより、さらに結像倍率を小さくしつつ、効果的に収差を抑える効果が得られる。

以下、この発明に係る光ピックアップ用対物レンズ３０および対物レンズ３０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。

図１は、光ピックアップ装置１００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、カバーガラス１１Ａ〜１１Ｃ、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、各カバーガラス１１Ａ〜１１Ｃ、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に導かれ、対物レンズ３０に入射する。対物レンズを透過した各光束は、情報の記録または再生の対象となる光ディスクＤ１〜Ｄ３の記録面近傍に収束する。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、図１に示す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た図である。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。

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ＨＤ ＤＶＤ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。

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最適な設計開口数を、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。

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（第一の波長）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（第三の波長）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、比較的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（第二の波長）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。

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。図１に示すように、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、各カバーガラス１１Ａ〜１１Ｃ、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。

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。そこで本実施形態の対物レンズ３０は、第一から第三のレーザー光が各々異なる結像倍率で該対物レンズに入射するように構成される。そして該構成によって、各光ディスクの記録面近傍で発生する球面収差を補正する。具体的には、第一のレーザー光はカップリングレンズ２０Ａによって収束光に変換された後対物レンズ３０に入射する。また、第二のレーザー光や第三のレーザー光はそれぞれカップリングレンズ２０Ｂ、２０Ｃによって発散光に変換された後、対物レンズ３０に入射する。

ここで、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、対物レンズへ非平行光が入射した場合、コマ収差等の軸外収差が発生してしまう。一般に、情報の記録または再生に高い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使用時、収束光である第一のレーザー光が入射する対物レンズ３０がトラッキングシフトした場合であっても、諸収差の発生を良好に抑えるために、対物レンズ３０は、以下の条件（１）を満たすように設計される。
０．０２≦ｆ１×ｍ１＜０．０６・・・（１）
但し、ｍ１、ｆ１は、それぞれ第一の光ディスクＤ１使用時における対物レンズ３０の結像倍率および焦点距離を表す。

条件（１）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使用時に、収束光状態にある第一のレーザー光を用いても、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。

また、第二の光ディスクＤ２や第三の光ディスクＤ３といった既存の光ディスクに対する情報の記録または再生時に発生する球面収差も十分に補正するため、本実施形態では、図２（Ｂ）、（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。具体的には、対物レンズ３０は、収差に対する許容範囲が狭い第一の光ディスクＤ１使用時に発生するおそれのある諸収差を有効に抑えるため、上記のような設計がなされると同時に、以下の各条件（２）、（３）も満たすように設計される。

すなわち、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、以下の条件（２）を満たすように設計される。
−０．０４≦ｆ２×ｍ２≦０．００・・・（２）
また、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、以下の条件（３）も満たすように設計される。
−０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）

条件（２）および条件（３）をともに満たすように対物レンズ３０を設計することにより、第二の光ディスクＤ２または第三の光ディスク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。

ここで、条件（２）、（３）を参照すると、対物レンズが採りうる結像倍率ｍ２およびｍ３の絶対値が小さいことがわかる。つまり、条件（２）および条件（３）を満たすように対物レンズを構成することにより、各光ディスクＤ２、Ｄ３使用時に、発散光状態にある第二および第三のレーザー光を用いても、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。

また上記実施形態の別の態様として、上記構成の対物レンズ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ことも可能である。

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近傍の拡大図の一例を示す。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ＡＸ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領域３２と、第二領域３２の最外周からレンズ外周部（不図示）までの第三領域３３と、を有する。第一の領域３１は連続面である。第二および第三の領域３２、３３には複数の輪帯状の段差（回折構造）が形成される。第二および第三の領域３２、３３における回折構造は、面３０ａの内側から外側に向かって隣接する屈折面間の境界によって与えられる光路長付加量が、特定の光束の波長のほぼ整数倍となるように形成される。但し、上記光路長付加量は第二領域３２および第三領域３３で各々異なる。つまり、第二領域３２に形成される段差の形状と第三領域３３に形成される段差の形状とは異なる。

第二領域３２は、第一のレーザー光および第二のレーザー光に対しては回折効率がほとんど落ちることなく、かつ第三のレーザー光に対しては収束に寄与しないような回折構造を有する。具体的には、該回折構造は、隣接しあう屈折面のうち内側に位置する屈折面を基準とすると、各屈折面間の境界で与えられる光路長付加量が、第一のレーザー光の略３波長分、もしくは略−３波長分となるように設計される。このように設計された第二領域３２は、第二のレーザー光に対する光路長付加量が略２波長分、もしくは略−２波長分となり、回折効率がほとんど落ちない。しかし、第三のレーザー光に対する光路長付加量が略１．５波長分、もしくは略−１．５波長分となる。そのため、第二領域３２を透過した第三のレーザー光のほとんどは、一次回折光と二次回折光に略均等に分散される。従って、第二領域３２を透過する第三のレーザー光は集光しない。つまり、第二領域３２は、第三のレーザー光に対する開口制限機能を有する。

なお、第二領域３２で与えられる光路長付加量を、第一のレーザー光の略５波長分、もしくは略−５波長分となるように設計することも可能である。この場合、第二のレーザー光に対する光路長付加量は、略３波長分、もしくは略−３波長分となり、やはり高い回折効率を有する。そして、第三のレーザー光に対する光路長付加量は、略２．５波長分、もしくは略−２．５波長分となる。そのため、第二領域３２を透過した第三のレーザー光のほとんどは、二次回折光と三次回折光に略均等に分散され、集光しない。

第三領域３３は、対物レンズ３０の第一面３０ａにおける第一のレーザー光の入射光束径と、第二のレーザー光の入射光束径が異なる場合に設けられる。

対物レンズ３０の第一面３０ａにおける第一のレーザー光の入射光束径が第二のレーザー光の入射光束径より大きい場合、第三領域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結像するような回折構造を有する。ここで、第三領域３３は、第二領域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。

具体的には、該回折構造は、隣接しあう屈折面のうち内側に位置する屈折面を基準とすると、各屈折面間の境界で与えられる光路長付加量が、第一のレーザー光の略１波長分、もしくは略−１波長分となるように設計される。このように設計された第三領域３３は、第二のレーザー光に対する光路長付加量が略０．６波長分、もしくは略−０．６波長分、第三のレーザー光に対する光路長付加量が略０．５波長分、もしくは略−０．５波長分となる。そのため、第三領域３３を透過した第二及び第三のレーザー光のほとんどは、零次回折光と一次回折光に分散される。従って、第三領域３３を透過する第二及び第三のレーザー光は集光しない。つまり、第三領域３３は、第二及び第三のレーザー光に対する開口制限機能を有する。

対物レンズ３０の第一面３０ａにおける第二のレーザー光の入射光束径が、第一のレーザー光の入射光束径より大きい場合に設けられる第三領域３３は、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結像するような回折構造を有する。ここで、第三領域３３は、第二領域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。

具体的には、該回折構造は、隣接しあう屈折面のうち内側に位置する屈折面を基準とすると、各屈折面間の境界で与えられる光路長付加量が、第二のレーザー光の略１波長分、もしくは略−１波長分となるように設計される。このように設計された第三領域３３は、第一のレーザー光に対する光路長付加量が略１．６波長分、もしくは略−１．６波長分、第三のレーザー光に対する光路長付加量が略０．８波長分、もしくは略−０．８波長分となる。そのため、第三領域３３を透過した第一のレーザー光のほとんどは、一次回折光と二次回折光に分散され、第三のレーザー光のほとんどは、零次回折光と一次回折光に分散される。従って、第三領域３３を透過する第一及び第三のレーザー光は集光しない。つまり、第三領域３３は、第一及び第三のレーザー光に対する開口制限機能を有する。

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ビームスポットが得られる。

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、第一のレーザー光と第三のレーザー光の波長について、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。収差補正が困難な関係とは、具体的には、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、以下の条件（４）のような関係をいう。
λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（４）

条件（４）のような関係がある場合、本実施形態の対物レンズ３０は、対物レンズ３０に収束光を入射させて収差を略完全に補正した場合、第二及び第三の光ディスク使用時には発散光を入射させることにより収差を補正できる。つまり光ピックアップ対物レンズ３０や装置１００は、条件（４）のような関係がある複数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レンズもしくは装置である。

以上説明した実施形態に基づく具体的な実施例を３例提示する。いずれの実施例の光ピックアップ装置１００の概略構成は図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示される。各実施例は、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。

実施例１の光ピックアップ装置１００は、回折構造を持たない対物レンズ３０を備えている。実施例１の対物レンズ３０の具体的な仕様は、表１に示されている。

表１中、設計波長λ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中、結像倍率ｍの値が示すように、実施例１の光ピックアップ装置では、第一の光ディスクＤ１使用時、第一のレーザー光は収束光として対物レンズ３０に入射する。また、第二、第三の光ディスクＤ２、Ｄ３使用時、第二、第三の各レーザー光は発散光として対物レンズ３０に入射する。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の各光ディスクＤ１〜Ｄ３使用時における具体的数値構成は表２〜表４に示される。

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。

各表中、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。

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。非球面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該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Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８、Ａ_１０、Ａ_１２、…として、以下の式で表される。

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。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。

実施例１の光ピックアップ装置１００の対物レンズ３０は、ｆ１×ｍ１が０．０３６、ｆ２×ｍ２が−０．０３１、ｆ３×ｍ３が−０．２０９であり、条件（１）から条件（３）を満たす。また、表１に示す設計波長および表２〜４に示す屈折率より、実施例の光ピックアップ装置１００は、条件（４）が１：２であることがわかる。

実施例２の光ピックアップ装置１００および該装置１００に搭載される対物レンズ３０に関する具体的数値構成や仕様は、実施例１と同一である。従って、上記表１〜表７を参照し、ここでの説明は省略する。但し、実施例２の光ピックアップ装置１００は、対物レンズ３０の第一面３０ａにおける第一のレーザー光の入射光束径が第二のレーザー光の入射光束径より大きい。そのため、実施例２の対物レンズ３０は、第一面３０ａに回折構造を設けることにより、各レーザー光がそれぞれ好適なＮＡをもって収束するように構成している。詳しくは、該回折構造は、第一面３０ａの第二領域３２と第三領域３３に設けられる。第一面３０ａの第一領域３１は、回折構造が設けられておらず、第一〜第三の各レーザー光の収束に寄与する屈折面である。なお、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≦１．５８、
第二の領域３２…１．５８＜ｈ≦１．８９、
第三の領域３３…１．８９＜ｈ≦１．９２、となる。

第二領域３２と第三領域３３に設けられる回折構造の具体的数値構成は、表８に示される。

表８に示すように、実施例２の対物レンズ３０に設けられる回折構造において第二領域３２は、輪帯番号１〜１５までの輪帯（屈折面）から構成され、第三領域３３は、輪帯番号１６〜１８までの輪帯から構成される。表８に示す光路長付加量は、第一のレーザー光に対する値であって、輪帯番号０の輪帯を基準にしている。表８に示すように、第二領域３２は、各屈折面間の境界で与えられる光路長付加量が、第一のレーザー光の略３波長分、もしくは略−３波長分となるように設計されている。これにより、第二領域３２を透過する第三のレーザー光は集光しない。つまり、実施例２の第二領域３２は、第三のレーザー光に対する開口制限機能を有する。

また、第三領域３３は、各屈折面間の境界で与えられる光路長付加量が、第一のレーザー光の略１波長分、もしくは略−１波長分となるように設計されている。つまり、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（一次）が、第二領域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（三次）とは異なるように設計される。これにより、第三領域３２を透過する第二のレーザー光は集光しない。つまり、実施例２の第三領域３３は、第二のレーザー光に対する開口制限機能を有する。

実施例３の光ピックアップ装置１００および該装置１００に搭載される対物レンズ３０に関する構成等も、実施例１と同一である。従って、上記表１〜表７を参照し、ここでの説明は省略する。また、実施例３の対物レンズ３０の第一面３０ａは、実施例２の対物レンズ３０の第一面３０ａと同様、屈折面である第一領域３１と、回折構造が設けられた第二領域３２、第三領域３３とが設けられている。但し、実施例３の第一面３０ａに設けられる回折構造は、実施例２の回折構造とは、異なる構成になっている。実施例３の回折構造の具体的数値構成は、表９に示される。

表９に示すように、実施例３の対物レンズ３０に設けられる回折構造において第二領域３２は、輪帯番号１〜１６までの輪帯から構成され、第三領域３３は、輪帯番号１７〜２０までの輪帯から構成される。表９に示す光路長付加量は、第一のレーザー光に対する値であって、輪帯番号０の輪帯を基準にしている。表８に示すように、第二領域３２は、各屈折面間の境界で与えられる光路長付加量が、第一のレーザー光の略５波長分、もしくは略−５波長分となるように設計されている。これにより、実施例３の第二領域３２も、実施例２と同様、第三のレーザー光に対する開口制限機能を有する。

また、第三領域３３は、各屈折面間の境界で与えられる光路長付加量が、第一のレーザー光の略１波長分、もしくは略−１波長分となるように設計されている。つまり、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（一次）が、第二領域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（五次）とは異なるように設計される。これにより、実施例３の第三領域３３も、実施例２と同様、第二のレーザー光に対する開口制限機能を有する。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１〜３の光ピックアップ装置１００において、第一〜第三の各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。図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、条件（４）の関係を持つ実施例１〜３の光ピックアップ装置１００は、条件（１）から条件（３）を満たすことにより、どの光ディスクＤ１〜Ｄ３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。

以上が本発明に係る光ピックアップ装置１００および対物レンズ３０の具体的実施例である。次に、上記実施例１〜３の光ピックアップ装置１００（対物レンズ３０）と従来の構成の光ピックアップ装置（対物レンズ）における、トラッキングシフト時の性能を比較する。

比較例の光ピックアップ装置（対物レンズ）としては、表１に示す対物レンズの具体的仕様における結像倍率を、従来の構成に倣い、
第一のレーザー光…０．０００
第二のレーザー光…−０．０２４
第三のレーザー光…−０．０７９
に設定した構成を想定する。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、該比較例において、トラッキング量とトラッキングによって生じる収差の量との関係を表すグラフである。図５（Ａ）が第一の光ディスクＤ１使用時（第一のレーザー光使用時）、図５（Ｂ）が第二の光ディスクＤ２使用時（第二のレーザー光使用時）、図５（Ｃ）が第三の光ディスクＤ３使用時（第三のレーザー光使用時）の関係をそれぞれ表す。図５中、横軸がトラッキング量を、縦軸が発生する収差の量を表す。後述する図６も同様である。また、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すグラフを数値化した表を、表１０〜表１２に示す。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、各実施例１〜３において、トラッキング量とトラッキングによって生じる収差の量との関係を表すグラフである。また、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すグラフを数値化した表を、表１３〜表１５に示す。

図５（Ａ）や表１０に示すように、比較例は、平行光として対物レンズに入射させる第一のレーザー光に対するトラッキング時の性能は、極めて良好になっている。しかし、その分、第二のレーザー光と第三のレーザー光に対する結像倍率の絶対値が大きくなる。そのため、図５（Ｂ）、（Ｃ）や表１１、表１２に示すように、第二の光ディスクＤ２や第三の光ディスクＤ３使用時にトラッキングすると、コマ収差は非常に大きく発生してしまう。

これに対し、各実施例１〜３は、表１に示すように、第一のレーザー光を収束光として対物レンズ３０に入射させる。これにより、第二のレーザー光と第三のレーザー光に対する結像倍率の絶対値を小さくすることができる。従って、図６（Ａ）や表１３に示すように、第一の光ディスクＤ１使用時にトラッキングするとごく僅かにコマ収差が発生してしまう。しかし、該コマ収差は、第一の光ディスクＤ１に対する情報の記録または再生に何ら影響を与えない程度である。そして、図６（Ｂ）や表１４に示すように、第二の光ディスクＤ２使用時に発生するコマ収差は、上記比較例と比べて、約４０％程度に低減している。また、図６（Ｃ）や表１５に示すように、第三の光ディスクＤ３使用時に発生するコマ収差は、上記比較例と比べて、約９０％程度に低減している。

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。

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）を該光ディスク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、第三領域３３は設けなくて良い。

さらに、本発明に係る対物レンズは、図３で示した回折構造以外の構造を採ることもできる。例えば、図７に示すように、所定の方向に、特定の光束（例えば、第一のレーザー光）の波長のほぼ整数倍となる光路長付加量を与える３つの段差と、所定の方向と逆の方向に該３つの段差で与える量と同量の光路長付加量を与える一つの段差とが連続するような回折構造であってもよい。

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。 本発明の実施形態の光ピックアップ装置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。 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。 実施例１〜３の光ピックアップ装置において、第一〜第三の各レーザー光が対物レンズ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。 比較例において、トラッキング量とトラッキングによって生じる軸外収差の量との関係を表すグラフである。 各実施例１〜３において、トラッキング量とトラッキングによって生じる軸外収差の量との関係を表すグラフである。 対物レンズの面に設けられる回折構造の変形例である。

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 (9)

1. 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、
   対物レンズを備え、
   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
   ｔ１≒０．６ｍｍ
   ｔ２≒０．６ｍｍ
   ｔ３≒１．２ｍｍ
   であり、
   前記対物レンズの、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、
   第一の波長の光束は収束光が、第二及び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、
   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、
   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、とすると、
   ｍ１＞０
   ｍ３＜ｍ２＜０
   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おける、前記対物レンズの焦点距離を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、前記対物レンズの焦点距離を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、前記対物レンズの焦点距離をｆ３とすると、以下の条件（１）から条件（３）、
   ０．０２≦ｆ１×ｍ１＜０．０６・・・（１）
   −０．０４≦ｆ２×ｍ２＜０．００・・・（２）
   −０．２３＜ｆ３×ｍ３＜−０．１３・・・（３）
   を満たすことを特徴とする光ピックアップ装置。
2. 前記対物レンズは、
   少なくとも一面に、第三の光ディスクに対する情報の記録または再生に必要な開口数に対応する光束が入射する第一の領域と、該第一の領域の外側に位置する第二の領域とを有し、
   前記第二の領域は、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ような回折構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光ピックアップ装置。
3. 前記対物レンズの前記第二の領域の回折構造は、隣接する屈折面間の境界で内側に位置する屈折面を基準とすると、前記第一の波長の光束に対する光路長付加量が略３波長分、もしくは略−３波長分の段差を有することを特徴とする請求項２に記載の光ピックアップ装置。
4. 前記対物レンズの前記第二の領域の回折構造は、隣接する屈折面間の境界で内側に位置する屈折面を基準とすると、前記第一の波長の光束に対する光路長付加量が略５波長分、もしくは略−５波長分の段差を有することを特徴とする請求項２に記載の光ピックアップ装置。
5. 前記第一の光束が入射する場合の前記対物レンズの入射面での有効光束径が、前記第二の光束が入射する場合の前記対物レンズの入射面での有効光束径より大きい場合、
   前記前記対物レンズの少なくとも一面は、前記第二の領域の外側に、さらに前記第一の波長の光束のみを収束させる回折構造をもつ第三の領域を有し、
   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請求項２から請求項４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
6. 前記対物レンズの前記第三の領域の回折構造は、隣接する屈折面間の境界で内側に位置する屈折面を基準とすると、前記第一の波長の光束に対する光路長付加量が略１波長分、もしくは略−１波長分の段差を有することを特徴とする請求項５に記載の光ピックアップ装置。
7. 前記第二の光束が入射する場合の前記対物レンズの入射面での有効光束径が、前記第一の光束が入射する場合の前記対物レンズの入射面での有効光束径より大きい場合、
   前記対物レンズの少なくとも一面は、前記第二の領域の外側に、さらに前記第二の波長の光束のみを収束させる回折構造をもつ第三の領域を有し、
   前記第三の領域において、前記第二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二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請求項２から請求項４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
8. 前記対物レンズの前記第三の領域の回折構造は、隣接しあう屈折面間の境界で内側に位置する屈折面を基準とすると、前記第二の波長の光束に対する光路長付加量が略１波長分、もしくは略−１波長分の段差を有することを特徴とする請求項７に記載の光ピックアップ装置。
9. 前記各光束を照射する光源を有し、
   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、以下の条件（４）、
   λ１／（ｎ１−１）：λ３／（ｎ３−１）≒１：２・・・（４）
   を満たすことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の光ピックアップ装置。

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