JP4467957B2 - 光学レンズ、光ヘッド装置、光情報装置、コンピューター、光情報媒体プレーヤー、光情報媒体サーバー - Google Patents

Description

本発明は、例えば光ディスクなどの光情報媒体上に記憶される情報の記録・再生又は消去を行う光ヘッド装置及び光情報装置、光情報装置における記録再生方法、及びこれらを応用したシステムに関する。さらに、前記光ヘッド装置に用いる対物レンズ（光学レンズ）、回折素子及び位相段差に関する。

高密度・大容量の記憶媒体として、ピット状パターンを有する光ディスクを用いる光メモリ技術は、ディジタルオーディオディスク、ビデオディスク、文書ファイルディスク、さらにはデータファイルと用途を拡張しつつ、実用化されてきている。微小に絞られた光ビームを介して、光ディスクへの情報記録再生が高い信頼性のもとに首尾よく遂行される機能は、回折限界の微小スポットを形成する集光機能、光学系の焦点制御（フォーカスサーボ）とトラッキング制御、及びピット信号（情報信号）検出に大別される。

近年、光学系設計技術の進歩と光源である半導体レーザーの短波長化により、従来以上の高密度の記憶容量を持つ光ディスクの開発が進んでいる。高密度化のアプローチとしては、光ディスク上へ光ビームを微小に絞る集光光学系の光ディスク側開口数（ＮＡ）を大きくすることが検討されている。

その際、問題となるのが光軸の傾き（いわゆるチルト）による収差の発生量の増大である。ＮＡを大きくすると、チルトに対して発生する収差量が大きくなる。これを防ぐためには、光ディスクの基板の厚み（基材厚）を薄くすれば良い。

光ディスクの第１世代といえるコンパクトディスク（ＣＤ）は赤外光（波長λ３は７８０ｎｍ〜８２０ｎｍ）、とＮＡ０．４５の対物レンズを使用し、ディスクの基材厚は１．２ｍｍである。第２世代のＤＶＤは赤色光（波長λ２は６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ、標準波長６５０ｎｍ）、とＮＡ０．６の対物レンズを使用し、ディスクの基材厚は０.６ｍｍである。そして、第３世代の光ディスクは青色光（波長λ１は３９０ｎｍ〜４１５ｎｍ、標準波長４０５ｎｍ）、とＮＡ０．８５の対物レンズを使用し、ディスクの基材厚は０.１ｍｍである。

なお、本明細書中では、基板厚みとは光ディスク（または情報媒体）に光ビームの入射する面から情報記録面までの厚みを指す。

このように、高密度光ディスクの基板の厚みは薄くされている。経済性、装置の占有スペースの観点から、上記基材厚や記録密度の異なる光ディスクを記録再生できる光情報装置が望まれる。そのためには異なる基板の厚みの光ディスク上に回折限界まで光ビームを集光することのできる集光光学系を備えた光ヘッド装置が必要である。

また、基材の厚いディスクを記録再生する場合には、ディスク表面より奥の方にある記録面上に光ビームを集光する必要があるので、焦点距離をより長くしなければならない。

このため、異なる種類の光ディスクを複数の波長の光ビームを用いて互換再生することを目的とした構成が開示されている。これを、図２０を用いて説明する。図２０において１０と１１は透明基材厚がそれぞれ０．１ｍｍ（ｔ１）と０．６ｍｍ（ｔ２）の光ディスクである。剛性を強化するため、透明基材の裏面（対物レンズ４０とは反対側）に保護基材を張り合わせるが、図では省略した。

対物レンズ４０は屈折レンズ４０２と屈折レンズ４０２の一面に異材質層４０１を接合したものである。屈折レンズと異材質層の屈折率と分散の違いを利用する。異なる波長の光を対物レンズにそれぞれ入射させる。光源の光束の波長が長波長側にシフトしたときに球面収差がアンダー側に変移するような球面収差特性を有する。これによって、透明基板の厚さがｔ１からｔ２のように厚くなるときに球面収差がオーバーになる分を、より波長の長い光によるアンダーによってキャンセルする。こうして厚さの異なる光ディスクの互換記録・再生を可能としている（たとえば特許文献１参照）。

第２の従来例としては、波長選択位相板を対物レンズと組み合わせる構成が開示されている。これを、図２１と図２２を用いて説明する。図２１は、光ヘッド装置の概略構成を示している。波長λ１＝４０５ｎｍの青色光源を有する青色光光学系５１より出射した平行光はビームスプリッター１６１及び波長選択位相板２０５を透過して、対物レンズ５０によって、基材厚０．１ｍｍの光ディスク９（第３世代光ディスク）の情報記録面に集光される。

光ディスク１０で反射した光は逆の経路をたどって青色光光学系５１の検出器で検出される。波長λ２＝６５０ｎｍの赤色光源を有する赤色光光学系５２より出射した発散光はビームスプリッター１６１で反射、波長選択位相板２０５を透過して、対物レンズ５０によって、基材厚０．６ｍｍの光ディスク１０（第２世代光ディスク：ＤＶＤ）の情報記録面に集光される。光ディスク１０で反射した光は逆の経路をたどって赤色光学系５２の検出器で検出される。

対物レンズ５０は平行光入射時に基材厚０．１ｍｍを透過して集光されるように設計されており、ＤＶＤ記録・再生の際は基材厚の違いによって球面収差が発生する。この球面収差を補正するため、赤色光光学系５２より出射して対物レンズ５０にする光ビームを発散光にすると共に、波長選択位相板２０５を用いている。対物レンズに発散光を入射させると新たな球面収差が発生するので、基材厚の違いによって発生する球面収差をこの新たな球面収差でうち消すとともに、波長選択位相板２０５によっても波面を補正している。

図２２に波長選択位相板２０５の平面図である図２２（ａ）と側面図である図２２（ｂ）を示す。波長選択位相板２０５は、波長λ１での屈折率をｎ１、ｈ＝λ１／（ｎ１−１）として、高さｈ、３ｈの位相段差２０５ａで構成される。波長λ１の光に対しては、高さｈにより生じる光路長の差は波長λ１であり、位相差２πラジアンに相当するため、位相差０と同じである。

このため、位相分布に影響を与えず、光ディスク９の記録再生には影響を与えない。一方、波長λ２の光に対しては、波長λ２での位相板２０５の屈折率をｎ２とすると、ｈ／λ２×（ｎ２―１）は約０．６λ、すなわち波長の整数倍ではない光路長の差を生じる。この光路長の差による位相差を利用して、先に述べた収差補正を行っている（たとえば特許文献２および、非特許文献１参照）。

また、第３の従来例としては、複数の対物レンズを機械的に切り替えて用いる構成が開示されている（たとえば特許文献３）。

さらに、第４の従来例としては、異なる曲率半径を有する反射面を備えたミラーを光軸を折り曲げる立ち上げミラーと兼ねる構成が、特開平１１−３３９３０７号公報に開示されている（たとえば特許文献４）。

第５の従来例としては、第１の従来例と同様に屈折型の対物レンズとホログラムを組み合わせて、異なる波長の光の同じ次数の回折光に生じる色収差を利用して、基材厚の差を補正する構成が開示されている（たとえば特許文献５）。
特開２００２−２３７０７８号公報（第６−７頁、図１） 特開平１０−３３４５０４号公報（第７−９頁、図１−図４） 特開平１１−２９６８９０号公報（第４−６頁、図１） 特開平１１−３３９３０７号公報（第４−５頁、図１） 特開２０００−８１５６６号公報（第４−６頁、図１、２） ＩＳＯＭ２００１ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＧＥＳＴ セッションＷｅ−Ｃ−０５（予稿集３０頁）

第１の従来例は、光源の光束の波長が長波長側にシフトしたときに球面収差がアンダー側に変移するような球面収差特性を有する。これによって、透明基板の厚さがｔ１からｔ２のように厚くなるときに球面収差がオーバーになる分を、より波長の長い光によるアンダーによってキャンセルする構成である。

例えば、透明基板の厚さがｔ１の光ディスクに対して情報再生から情報記録へと切り替える際には、光量を１０倍ほど大きくする必要があり、これに伴って波長も変化し、長くなる。波長が長くなるので、球面収差がアンダーに変化するが、ディスクの厚みは変化しないので、意図しない球面収差が発生し集光性能の劣化が起こるという課題がある。

また、光量変化による波長変化は焦点距離の変化も起こす。第１の従来例（特許文献１）の図３では、青色光の波長が１０ｎｍ変化すると焦点距離が約１０μｍ変化している。第１の従来例の図４では、赤色光の波長が１０ｎｍ変化すると焦点距離が約３μｍ変化している。特に青色光の焦点距離変化が大きく、光量を変化させた直後、対物レンズがフォーカス制御によって移動するまでの間、集光特性が劣化するという課題がある。

第２の従来例では、互換素子として、波長選択位相板を用いている。基材厚の厚いディスクを記録再生する際には、記録面が対物レンズに対して、基材厚の分だけ遠くなるので、焦点距離を延ばす必要がある。焦点距離は互換素子がレンズパワーを有することによって伸ばすこともできるが、波長選択位相板にはレンズパワーがない。

また、第２の従来例のように赤色光を発散光にして、このレンズパワーをすべて実現しようとすると、トラック追従などによる対物レンズの移動時に、大きな収差が生じて記録・再生特性が劣化するという課題が生じる。

さらに、光ディスクで反射して対物レンズを通過して戻る光の平行度が、光ディスク基材厚によって違うので、検出レンズと光検出器を共通にすることができず、光の平行度に応じて別個に準備しなくてはならないという課題も生じる。

第３の従来例では、対物レンズを切り替えているので、複数の対物レンズを要し、部品点数が多くなると共に、光ヘッド装置の小型化が困難という課題がある。た、切り替え機構を要する点でも装置の小型化を困難にするという課題がある。

第４の従来例では、対物レンズをミラーに対して独立に駆動している（特許文献４の第４図から第６図参照）。

ところが上述のように曲率半径をもったミラーによって光ビームを平行光から変換するので、対物レンズがトラック制御などによって移動すると、入射光波面に対する対物レンズの相対位置が変化し、収差が発生し、集光特性が劣化するという課題がある。

また、ミラーの反射面は曲率半径を持った面、すなわち球面によって構成されているが、基材厚の差と波長の差を補正するためには球面では不十分であり、５次以上の高次収差を十分に低減することができないという課題もある。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、異なる種類の光ディスクの互換再生や互換記録を単一の対物レンズを用いて実現し、かつ光量切り替え時などの波長変化に際して、焦点距離の変化や球面収差の発生を抑制し、情報の再生又は記録の安定した光学素子、光学レンズ、及びこれらを応用した装置、システムを提供することを目的とする。さらに、単一の光ディスクを記録再生する光学素子、光学レンズ、及びこれらを応用した装置、システムも提供する。

前記目的を達成するために、本発明の光学素子は、赤色光と青色光の少なくとも２波長に対応した光学素子であって、位相段差を備え、前記位相段差を前記青色光が透過する際に生じる光路長の差が、前記青色光の波長の５倍であることを特徴とする。

本発明の第１の光学レンズは、赤色光と青色光の少なくとも２波長に対応した光学レンズであって、位相段差を備え、前記位相段差を前記青色光が透過する際に生じる光路長の差が、前記青色光の波長の５倍であることを特徴とする。

本発明の第２の光学レンズは、ホログラムと、屈折型レンズと、位相段差とを備えた光学レンズであって、前記ホログラムは、鋸歯状断面形状の鋸歯状格子を含んでおり、前記鋸歯状格子の深さの設定により、青色光に対しては＋２次回折光が最も強く発生し、赤色光に対しては＋１次回折光が最も強く発生し、前記位相段差を前記青色光が透過する際に生じる光路長の差が、前記青色光の波長の５倍であることを特徴とする。

本発明の第３の光学レンズは、ホログラムと、屈折型レンズと、位相段差とを備えた光学レンズであって、前記ホログラムは、青色光に対しては＋２次回折光が最も強く発生し、赤色光に対しては＋１次回折光が最も強く発生し、前記ホログラムのホログラム格子は、少なくとも前記ホログラムの光軸との交点を含む内周部に形成され、前記青色光の＋２次回折光は、基材厚がｔ１の基材を通して集光され、前記内周部を通る前記赤色光の＋１次回折光は、基材厚がｔ２の基材を通して集光され、ｔ１＜ｔ２であり、前記位相段差を前記青色光が透過する際に生じる光路長の差が、前記青色光の波長の５倍であることを特徴とする。

本発明の第１の光ヘッド装置は、前記各光学レンズと、波長λ１の青色光を出射する第１レーザー光源と、波長λ２の赤色光を出射する第２レーザー光源と、光情報媒体の記録面上で反射した光ビームを受けてその光量に応じて電気信号を出力する光検出部とを備えたことを特徴とする。

本発明の光情報装置は、前記各光学レンズのいずれかとレーザー光源とを含む光ヘッド装置と、光情報媒体を回転するモーターと、前記光ヘッド装置から得られる信号を受け前記信号に基づいて、前記モーター、前記光学レンズ、及び前記レーザー光源の少なくともいずれかを制御及び駆動する電気回路とを備えたことを特徴とする。

本発明のコンピュータは、前記各光情報装置のいずれかを備え、入力された情報、及び前記光情報装置から再生された情報の少なくともいずれかに基づいて演算を行う演算装置と、前記入力された情報、前記光情報装置から再生された情報、及び前記演算装置によって演算された結果の少なくともいずれかを出力する出力装置を備えたこと特徴とする。

本発明の光情報媒体プレーヤーは、前記各光情報装置のいずれかと、前記光情報装置から得られる情報信号を画像に変換するデコーダーとを備えたことを特徴とする。

本発明のカーナビゲーションシステムは、前記各光情報装置のいずれかと、前記光情報装置から得られる情報信号を画像に変換するデコーダーとを備えたことを特徴とする。

本発明の光情報媒体レコーダーは、前記各光情報装置のいずれかと、画像情報を前記光情報装置によって記録する情報に変換するエンコーダーとを備えたことを特徴とする。

本発明の光情報媒体サーバーは、前記各光情報装置のいずれかと、外部との情報のやりとりを行う入出力端子とを備えたことを特徴とする。

本発明の第４の光学レンズは、１波長の光に対応した光学レンズであって、位相段差を備えており、前記位相段差を前記光が透過する際に生じる光路長の差が、前記光の波長の整数倍であることを特徴とする。

本発明の第２の光ヘッド装置は、前記第４の光学レンズと、光ビームを出射するレーザー光源と、光情報媒体の記録面上で反射した光ビームを受けてその光量に応じて電気信号を出力する光検出部とを備え、前記光学レンズは、前記レーザー光源からの光ビームを基材を通して光情報媒体の記録面上へ集光することを特徴とする。

本発明は、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる位相段差によって、色収差による球面収差を補正できるので、波長の変化に対しても情報の再生や記録を安定して行うことができ、異種ディスクの互換を実現できる。

本発明の光学素子、第１の光学レンズによれば、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる位相段差によって、色収差による球面収差を補正できるので、波長の変化に対しても情報の再生や記録を安定して行うことができる。本発明において、位相段差とは光学素子に高低差を形成する段差を形成したものであり、この段差を通過する光に位相差を生じさせるものである。このことは、以下の各発明についても同様である。

本発明の第２の光学レンズによれば、青色光に対しては＋２次回折光が最も強く発生し、赤色光に対しては＋１次回折光が最も強く発生するようにしたことにより、焦点位置補正と基材厚差による球面収差の補正を実現できる。さらに青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる位相段差によって、色収差による球面収差を補正できるので、波長の変化に対しても情報の再生や記録を安定して行うことができる。

本発明の第３の光学レンズによれば、ホログラムの内周部を、青色光に対しては＋２次回折光が最も強く発生し、赤色光に対しては＋１次回折光が最も強く発生するようにしたことにより、赤色光ビームの回折光強度を最大にでき、青色光ビームの集光スポットに対する光の利用効率も低下しないようにすることができる。さらに青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる位相段差によって、色収差による球面収差を補正できるので、波長の変化に対しても情報の再生や記録を安定して行うことができる。

本発明の第４の光学レンズによれば、色収差を補正でき、回折レンズの格子ピッチを粗くすることができ、光量の利用効率を高めることができる。

本発明の第１の光ヘッド装置によれば、単一の光ヘッド装置によって、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。

本発明の第２の光ヘッド装置によれば、単一の光ディスクを記録再生する装置に用いることができる。

本発明のコンピューターや、光ディスクプレーヤー、光ディスクレコーダー、光ディスクサーバー、カーナビゲーションシステムによれば、異なる種類の光ディスクを安定に記録あるいは再生できるので、広い用途に使用できる。

前記第１の光学レンズにおいては、前記青色光は前記光学レンズによって基材厚がｔ１の基材を通して集光され、前記赤色光は基材厚がｔ２の基材を通して集光され、ｔ１＜ｔ２であることが好ましい。
また、液晶型位相変調素子をさらに備えており、前記液晶型位相変調素子を電気的にスイッチングすることにより、前記青色光は前記基材厚がｔ１の基材を通して集光され、前記赤色光は前記基材厚がｔ２の基材を通して集光され、かつ透過波面に与える位相変調量を切り替えて、基材厚差による収差を補正することが好ましい。この構成によれば、ホログラムを用いることなく、液晶型位相変調素子によって、基材厚差による収差を補正することができる。
また、ホログラムをさらに備えており、前記ホログラムの回折格子の深さの設定により、青色光に対しては＋２次回折光が最も強く発生し、赤色光に対しては＋１次回折光が最も強く発生するようにして、基材厚差による収差を補正することが好ましい。

また、前記光学レンズは、２種類の異なる材質で形成された屈折型レンズであることが好ましい。この構成によれば、屈折型レンズに色収差補正作用があり、この補正作用は回折による光量損失がなく、高い光利用効率と色収差補正とを両立できる。

前記第２の光学レンズにおいては、前記鋸歯状格子の深さがｈ１であり、前記ｈ１は、前記青色光に対して約２波長の光路長の差を与える深さであることが好ましい。この構成によれば、青色光に対して＋２次回折光強度が最大となり、赤色光に対して＋１次回折光強度が最大となる。

また、前記ホログラムのうち、前記ホログラムの光軸との交点を含む内周部に形成された前記鋸歯状格子の深さはｈ２であり、前記ｈ２は、前記赤色光に対して約１波長の光路長の差を与える深さであることが好ましい。この構成によれば、赤色光ビームの回折光強度を最大にでき、青色光ビームの集光スポットに対する光の利用効率も低下しないようにすることができる。

前記第３の光学レンズにおいては、前記内周部の外側の外周部に、さらにホログラム格子が形成されており、前記外周部の前記ホログラム格子は鋸歯状断面形状の鋸歯状格子であり、前記外周部の鋸歯状格子の深さはｈ３であり、前記ｈ３は、前記青色光に対して約１波長の光路長の差を与える深さであり、前記外周部においては、前記青色光に対して＋１次回折光が最も強く発生し、赤色光に対しても＋１次回折光が最も強く発生することが好ましい。この構成によれば、薄型の光ディスクを青色光ビームによって記録・再生するときの開口数ＮＡｂを、ＤＶＤ等を赤色光ビームによって記録・再生するときの開口数ＮＡｒよりも大きく（ＮＡｂ＞ＮＡｒ）することができる。

また、前記各光学レンズにおいては、前記青色光は、基材厚ｔ１の基材を通して集光し、前記青色光の波長λ１が変化したときの焦点距離変化を低減させるように、前記ホログラムを凸レンズ型にして、前記青色光が前記ホログラムにより凸レンズ作用を受けるようにしていることが好ましい。

また、前記青色光は前記光学レンズによって基材厚がｔ１の基材を通して集光され、前記赤色光は基材厚がｔ２の基材を通して集光され、ｔ１＜ｔ２であり、前記青色光が前記基材厚ｔ１の基材を通して集光するときは、前記赤色光が前記基材厚ｔ２の基材を通して集光するときに比べて、前記ホログラムによる凸レンズ作用を大きくして、前記赤色光の前記基材側の焦点位置を、前記青色光の前記基材側の焦点位置に比べて、前記光学レンズより離していることが好ましい。

また、前記青色光は前記光学レンズによって基材厚がｔ１の基材を通して集光され、前記赤色光は基材厚がｔ２の基材を通して集光され、ｔ１＜ｔ２であり、前記赤色光が前記基材厚ｔ２の基材を通して集光するときは、前記青色光が前記基材厚ｔ１の基材を通して集光するときに比べて、前記ホログラムによる凸レンズ作用を小さくして、前記赤色光の前記基材側の焦点位置を、前記青色光の前記基材側の焦点位置に比べて、前記光学レンズより離していることが好ましい。

また、前記ホログラムの格子断面形状は、前記ホログラムを形成する基材の外周側に斜面を持つ鋸歯形状であることが好ましい。

また、前記ホログラム、前記屈折型レンズ、及び前記位相段差を一体固定していることが好ましい。また、前記ホログラムを前記屈折型レンズ表面に一体形成していることが好ましい。また、前記位相段差を前記屈折型レンズの表面に一体形成していることが好ましい。これらの構成によれば、焦点制御やトラッキング制御に際しては、共通の駆動手段によって一体に駆動を行い、ホログラムと対物レンズの相対位置のずれによる収差増大を防ぐことができる。

また、波長の変化によって、屈折型レンズ又は屈折型レンズとホログラムとに生じる収差を、前記位相段差に生じる収差によって減じることが好ましい。

また、青色光が基材厚がｔ１の基材を通して集光される開口数をＮＡｂ、赤色光が基材厚がｔ２の基材を通して集光される開口数をＮＡｒとすると、ｔ１＜ｔ２、かつ、ＮＡｂ＞ＮＡｒであることが好ましい。

前記光ヘッド装置においては、前記光学レンズは、前記第１レーザー光源からの第１光ビームを基材厚ｔ１の基材を通して第１光情報媒体の記録面上へ集光し、前記第２レーザー光源からの第２光ビームを基材厚ｔ２の基材を通して第２光情報媒体の記録面上へ集光し、ｔ１＜ｔ２であることが好ましい。
また、前記第２光ビームを前記第２光情報媒体の記録面上へ集光する際に、前記第２光ビームを略平行光にするコリメートレンズを前記第２レーザー側に近づけて、拡散光にした前記第２光ビームを前記光学レンズに入射させて、前記第２光情報媒体側の焦点位置を前記光学レンズから離すことが好ましい。

また、前記第１レーザー及び前記第２レーザーの発光点の両方を、前記光学レンズの光情報媒体側の焦点位置に対して結像関係にあるように配置することによって、共通の光検出器からサーボ信号を検出することが好ましい。

前記光情報装置においては、前記レーザー光源は、波長λ１の青色光を出射する第１レーザー光源と、波長λ２の赤色光を出射する第２レーザー光源とであり、前記光情報媒体の種類を判別して、基材厚が約０．６ｍｍの光情報媒体に対してはコリメートレンズを第２レーザー光源側に移動することが好ましい。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における光ヘッド装置を示す構成図である。図１において１は波長λ１（３９０ｎｍ〜４１５ｎｍ：標準的には４０５ｎｍ程度なので、３９０ｎｍ〜４１５ｎｍの波長を総称して約４０５ｎｍと呼ぶ）の青色レーザー光を出射する青色レーザー光源である。

２０は波長λ２（６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ：標準的には６６０ｎｍを使われることが多いので、６３０ｎｍ〜６８０ｎｍ波長を総称して約６６０ｎｍと呼ぶ）の赤色レーザー光を出射する赤色レーザー光源である。

９は基材厚みｔ１が約０.１ｍｍ（以下０．０６ｍｍ−０．１１ｍｍの基材厚を約０．１ｍｍと呼ぶ）又はより薄い基材厚みで、波長λ１の光ビームによって記録・再生をされる光情報媒体に対応する第３世代の光ディスクである。１０は基材厚みｔ２が約０.６ｍｍ（０．５４ｍｍ〜０．６５ｍｍの基材厚を約０．６ｍｍと呼ぶ）で、波長λ２の光ビームによって記録・再生をされる光情報媒体に対応するＤＶＤ等の第２世代の光ディスクである。

光ディスク９、１０は、光の入射面から記録面までの基材のみを図示している。実際には、機械的強度を補強し、また、外形をＣＤと同じ１．２ｍｍにするため、保護板と張り合わせている。光ディスク１０は、厚み０．６ｍｍの保護材と張り合わせる。光ディスク９は厚み１．１ｍｍの保護材と張り合わせる。本発明の図面では、簡単のため、保護材は省略する。

青色レーザー光源１、赤色レーザー光源２０は、好ましくは半導体レーザー光源とすることにより光ヘッド装置、及びこれを用いた光情報装置を小型、軽量、低消費電力にすることができる。

最も記録密度の高い光ディスク９の記録再生を行う際には、青色レーザー光源１から出射した波長λ１の青色光ビーム６１がビームスプリッター４によって反射され、１／４波長板５によって円偏光になる。１／４波長板５は波長λ１、波長λ２の両方に対して、１／４波長板として作用するように設計する。

コリメートレンズ８によって略平行光にされ、さらに立ち上げミラー１２によって光軸を折り曲げられ、ホログラム（回折型の光学素子）１３と屈折型の対物レンズ１４によって光ディスク９の厚さ約０．１ｍｍの基材を通して情報記録面に集光される。

光ディスク９の情報記録面で反射した青色光ビーム６１は、もとの光路を逆にたどって（復路）、１／４波長板５によって初期とは直角方向の直線偏光になり、ビームスプリッター４をほぼ全透過し、ビームスプリッター１６で全反射され、検出ホログラム３１によって回折され、さらに検出レンズ３２によって焦点距離を伸ばされて、光検出器３３に入射する。

光検出器３３の出力を演算することによって、焦点制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。上記のようにビームスプリッター４は、波長λ１の光ビームに関しては、１方向の直線偏光を全反射し、それと直角方向の直線偏光を全透過する偏光分離膜である。また、後で述べるように、波長λ２の光ビームに関しては赤色レーザー２０から出射する赤色光ビーム６２を全透過する。このようにビームスプリッター４は偏光特性と共に波長選択性を持った光路分岐素子である。

次に、光ディスク１０の記録又は再生を行う際には、赤色レーザー光源２０から出射した略直線偏光で波長λ２の光ビームがビームスプリッター１６とビームスプリッター４を透過し、コリメートレンズ８によって略平行光にされ、さらに立ち上げミラー１２によって光軸を折り曲げられ、ホログラム１３と対物レンズ１４によって光ディスク１０の厚さ約０．６ｍｍの基材を通して情報記録面に集光される。

光ディスク１０の情報記録面で反射した光ビームはもとの光路を逆にたどって（復路）、ビームスプリッター４をほぼ全透過し、ビームスプリッター１６で全反射され、検出ホログラム３１によって回折され、さらに検出レンズ３２によって焦点距離を伸ばされて、光検出器３３に入射する。

光検出器３３の出力を演算することによって、焦点制御やトラッキング制御に用いるサーボ信号及び、情報信号を得る。このように共通の光検出器３３から、光ディスク９と１０のサーボ信号を得るためには、青色レーザー１と赤色レーザー２０の発光点を、対物レンズ１４側の共通の位置に対して結像関係にあるように配置する。こうすることにより、検出器の数も配線数も減らすことができる。

ビームスプリッター１６は波長λ２に対して、１方向の直線偏光を全透過し、それと直角方向の直線偏光を全反射する偏光分離膜である。かつ、波長λ１の光ビームに関しては青色光ビーム６１を全反射する。このようにビームスプリッター１６も偏光特性と共に波長選択性を持った光路分岐素子である。

次に、図２と図３と図４を用いてホログラム１３４および対物レンズ１４４の働きと構成を説明する。図２において１３４はホログラムである。ホログラム１３４は、波長λ１の青色光ビーム６１を回折して、凸レンズ作用を及ぼし、波長λ２の光に対しては後に説明するように回折して青色光ビームよりも弱い凸レンズ作用を及ぼす。

ここで、凸レンズ作用を及ぼす最も低次の回折を＋１次回折と定義する。＋１次回折から次数が増えるにつれて、回折角度も大きくなる。本実施の形態では、青色光ビームに対しては、＋２次の回折が最も強く起こるように設計する。このとき、赤色光ビームは＋１次回折が最も強く起こる。この場合、赤色光ビームの方が青色光ビームよりも波長が長いにもかかわらず、ホログラム１３４上の各点における回折角度は小さくなる。

すなわち、ホログラム１３４が、波長λ１の青色光ビーム６１を回折するときの凸レンズ作用の方が、波長λ２の光に対して及ぼす凸レンズ作用よりも強くなる。言い換えると、赤色光ビームはホログラム１３４によって凸レンズ作用を受けるものの、青色光ビームの受ける作用を基準にすると、相対的には回折によって、凹レンズ作用を受ける。

対物レンズ１４４は、波長λ１の青色光ビームがホログラム１３４によって＋２次回折されて凸レンズ作用を受けた後に、さらに集光されて光ディスク９の基材厚ｔ１を通して記録面上へ集光するように設計される。

次に、赤色光ビームを用いて光ディスク１０の記録・再生を行う際のホログラム１３４の働きを詳細に説明する。ホログラム１３４は波長λ２の光（点線：赤色光ビーム６２）を＋１次回折して、凸レンズ作用を及ぼす。そして、対物レンズ１４４によって赤色光ビーム６２を光ディスク１０の厚さｔ２が約０．６ｍｍの基材を通して情報記録面１０１に集光する。

ここで、ディスク１０はその光入射面から情報記録面１０１までの基材厚が０．６ｍｍと、厚くなっており、基材厚０．１ｍｍの光ディスク９を記録再生する場合の焦点位置よりも焦点位置を対物レンズ１４４から離す必要がある。図２に示すように波面変換によって、青色光ビーム６１を集光光にし、赤色光ビーム６２の集光度を青色光ビームの集光度よりも緩くすることにより、この焦点位置補正と基材厚差による球面収差の補正を実現する。波長λ１の青色光ビーム６１と波長λ２の赤色光ビーム６２は、いずれもホログラム１３４によって波面の変換をされる。

したがって、ホログラム１３４と対物レンズ１４４の相対位置に誤差があると、設計どおりの波面が対物レンズ１４４に入射せず、光ディスク９や、光ディスク１０へ入射する波面に収差が生じ、集光特性が劣化する。そこで、望ましくは、ホログラム１３４と対物レンズ１４４を一体に固定し、焦点制御やトラッキング制御に際しては、共通の駆動手段１５（図１）によって一体に駆動を行う。

図３はホログラム１３４を示す。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図２と同様の断面図であり、平面図とは直角の方向から見た図である。ホログラム１３４は、内外周境界１３４Ａの内側（内周部１３４Ｃ）と外側（内外周境界１３４Ａと有効範囲１３４Ｄの間の外周部１３４Ｂ）が、異なるものである。

内周部１３４Ｃは、ホログラム１３４と光軸との交点、すなわち中心を含む領域である。この領域は、赤色光ビームを用いて光ディスク１０の、記録・再生を行う際も、青色光ビームを用いて光ディスク９の、記録・再生を行う際も使用する。

したがって、内周部１３４Ｃの回折格子と、ここから回折される赤色光ビームが通過する対物レンズ１４４の部分は、青色光ビームの＋２次回折光が光ディスク９に、赤色光ビームの＋１次回折光が光ディスク１０に集光されるように設計する。外周部１３４Ｂについては、光ディスク９を青色光ビーム６１によって記録・再生するときの開口数ＮＡｂが光ディスク１０を赤色光ビーム６２によって記録・再生するときの開口数ＮＡｒよりも大きい（ＮＡｂ＞ＮＡｒ）必要がある。

このため、赤色光ビーム６２、青色光ビーム６１をそれぞれ対応する光ディスク９と１０に対して集光する内周部の周囲に、青色光ビーム６１の例えば＋２次回折光のみを光ディスク９に対して集光し、赤色光ビーム６２の＋１次回折光は光ディスク１０に対して収差を持つように外周部１３４Ｂおよび、これに対応する対物レンズ１４４の外周部を設ける必要がある。

すなわち、図示しないが、対物レンズ１４４もホログラム１３４と同様に、内外周によって、異なる設計をすることが望ましい。これによって、最適なＮＡすなわち、ＮＡｂ＞ＮＡｒを実現できる。

図４は、ホログラム１３２のホログラム格子の一周期（ｐ４）の間の断面を説明する図である。図４（ａ）は、物理的な形状を示している。このような鋸の歯のような形状を鋸歯状と呼ぶ。また、斜面の方向を表すため、図４（ａ）の形状を、基材が左側に斜面を持つ形状と表現する。

この呼び方に従い、図３のホログラム１３４の断面形状を、基材が外周側に斜面を持つ鋸歯形状と表現する。図４（ｂ）は、青色光に対する位相変調量を示している。図４（ｃ）は、赤色光に対する位相変調量を示している。

図４（ａ）において縦方向は鋸歯状格子の深さを示している。ホログラム材料を、例えばＢＫ７とすると、青色光ビームに対するホログラム材料の屈折率ｎｂは、ｎｂ＝１.５３０２である。

鋸歯状格子の深さは、青色光ビーム６１に対して光路長の差が約２波長、すなわち位相差が約４πラジアンになる量にする。ここで、光路長の差とは、段差の有無によって生じる光路長（光学距離ともいう。媒質の長さと屈折率をかけた値）の差異を意味する。

したがって、光路長の差Ｌは、段差の深さｈ１と、媒質と空気との屈折率の差（ｎｂ−１）との積で表わされ、下記のようになる。

Ｌ＝ｈ１×（ｎｂ-１）
光路長の差が２波長の場合、Ｌ＝２×λ１となり、深さｈ１は、下記式で表わされ、λ１＝４０５ｎｍ、ｎｂ＝１.５３０２を代入して、ｈ１の値が求まる。

ｈ１＝２×λ１／（ｎｂ-１）＝１．５３μｍ
この形状による青色光に対する位相変調量は、格子一周期の中で４π（＝２π×２）ラジアン変化するため、＋２次回折光強度が最大となり、スカラー計算上は１００％の回折効率となる。

一方、赤色光ビーム６２に対するホログラム材料の屈折率をｎｒとすると、ホログラム材料がＢＫ７の場合は、ｎｒ＝１．５１４２となる。段差ｈ１による赤色光ビームに発生する光路長差は、ｈ１×（ｎｒ-１）で表わされる。したがって、赤色光ビームの波長λ２に対する光路長差の倍数は、λ２＝６６０ｎｍ、ｎｒ＝１．５１４２を代入して下記のようになる。

ｈ１×（ｎｒ-１）／λ２＝１．１９
すなわち、光路長差は波長λ２の約１．２倍となり、位相変調量は約２．４πラジアン（１．２×２π）となる。したがって、＋１次回折光強度が最も強くなり計算上の回折効率は約８０％となる。

このため、図４（ａ）のように、格子一周期の形状を、深さｈ１の鋸歯状の断面形状にすると、青色光ビーム６１は、先に説明したように＋２次回折が最も強いので、回折角度を決める格子周期は、実質ｐ４／２であり、位相変化は図４（ｂ）と同等となる。そして、赤色光ビーム６２に対しては、＋１次回折が最も強いので、回折角度を決める格子周期は、実質ｐ４である。

前記の構成により、基材厚差の補正による異種ディスクの互換ができ、４０５ｎｍや、６６０ｎｍといった基準波長付近（数ｎｍ以内）での波長変化に対する色収差とりわけ焦点距離の波長依存性を相殺し低減できるという効果を得ることができる。しかしなお、波長の差によって、球面収差を変化させているのであるから、基準波長付近（数ｎｍ以内）での波長変化に対する色収差のうち球面収差変化は発生する。この球面収差変化を補正するための構成を図５と図６を用いて説明する。

図５において１４４は対物レンズである。また、１４４１は対物レンズ１４４の光ディスクに直接対向しない面（第１面）、さらに、１４４２は第１面１４４１に形成した位相段差である。位相段差１４４２は、対物レンズ１４４の第１面１４４１の反対側の面（第２面）や、ホログラム１３４のいずれかの面に形成することも可能である。

また、図５のように、対物レンズ１４４と一体化することにより、トラック追従などによって対物レンズ１４４が動いても、位相段差１４４２と対物レンズ１４４との相対位置が変化せず、光学的性能が劣化しないという効果を得ることができる。

また、位相段差１４４２と対物レンズ１４４との相対位置変化による特性劣化が十分小さい場合には、対物レンズ１４４と位相段差１４４２を一体化せず、図１のコリメートレンズ８の表面などに形成する構成もあり得る。さらに、図示はしないが、ホログラム及び位相段差のいずれをも屈折型の対物レンズ表面に一体形成することも可能である。

図６は、位相段差１４４２を拡大した模式図である。１段あたりｈａの高さの段差を１段以上形成する。段差ｈａは、位相段差１４４２を形成する基材の屈折率ｎｂを、波長λ１（例えば４０５ｎｍ）に対する屈折率としたときに、下記の式（１）を満足するようにしている。

式（１） ｈａ＝５×λ１／（ｎｂ−１）
式（１）は、下記の式（２）のように変形できる。

式（２） ５×λ１＝ｈａ×（ｎｂ−１）
式（２）の右辺は、高さｈａの段差による光路長の差である。すなわち、位相段差１４４２の１段の段差は、波長λ１の光に対して、波長λ１の５倍の光路長の差、言い換えると１０πラジアン（５×２π）の位相差を生じさせるように設定している。

例えば、位相段差１４４２を形成する基材がＢＫ７と呼ばれる種類のガラスであれば、
λ１＝４０５ｎｍのとき、ｎｂ＝１．５３０２であり、（式１）より、
ｈａ＝３８１９ｎｍ
となる。この段差に、例えば波長λ２＝６５５ｎｍの赤色光が入射すると、λ２＝６５５ｎｍに対するＢＫ７の屈折率ｎｒは１．５１４４なので、生じる光路長の差Ｌは下記のようになる。

Ｌ＝ｈａ×（ｎｒ−１）＝１９６４．５
この算出値は、ほぼ３×λ２に等しい。すなわち、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差は、赤色光に対しては波長の３倍の光路長の差を生じることになる。波長の整数倍の光路長の差が生じる位相変化量は、２πラジアンの整数倍（λ１＝４０５ｎｍに対して１０πラジアン、λ２＝６５５ｎｍに対しては６πラジアン）であるので、実質的には位相差を生じない。

したがって、λ１やλ２の基準波長に対しては波面の変化を生じさせない。そして、基準波長から例えば数ｎｍの波長変化が起こると、光路長の差が波長の整数倍からずれるため、位相変化を生じる。段差は、図６の様に基材側へ堀込むことも、逆に、盛り上げることもできるので、波長ずれに対する位相変化の方向も自由に設定できる。例えば、青色光であれば、波長１ｎｍの変化に対する位相変化量ΔφＢは
ΔφＢ＝１０π／４０５＝０．０２４π（ラジアン）
である。レンズやホログラムによって生じる波長１ｎｍ変化あたりの色収差が０．０２４πラジアンになる位置ごとにｈａの高さの段差を積み重ねて形成することによって、収差を補正することができる。また、赤色光に対しては、波長１ｎｍの変化に対する位相変化量ΔφＲは、
ΔφＢ＝６π／６５５＝０．００９π（ラジアン）
である。青色光に比べて赤色光では位相変化量が小さいが、レンズやホログラムによって生じる波長１ｎｍ変化あたりの色収差も小さいので問題ない。

なお、上記では基準波長として、青色は４０５ｎｍ、赤色は６５５ｎｍを選んだが、青色の基準波長は４０８ｎｍや４１０ｎｍなど他の波長を選ぶことも可能であり、それに応じて単位段差ｈａと赤色の基準波長も変えればよい。その関係は、下記の式（３）で表される。

式（３） ｈａ＝３×λ２／（ｎ２−１）＝５×λ１／（ｎ１−１）
位相段差はｈａを１単位とするが、その整数倍（２倍、３倍・・・）を１単位としても赤色と青色の両基準波長に対して波面変化を与えず、それぞれからの波長変化に対してのみ波面を変化させることができる。

また、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差を、第１の従来例へ適用することによって、波長変化による色収差を補正する構成としてもよい。この構成では、位相段差は２種類の異なる材質で形成された対物レンズに形成されていることになる。この構成によれば、屈折型レンズによる色収差補正作用は、回折による光量損失回折による光量損失がなく、高い光利用効率と色収差補正とを両立できる。

さらに、波長変化による焦点位置変化をも補正することは、原理的には可能であるが、段差数が多くなり、一段あたりの平坦部の長さ（光束に沿った方向に同じ高さの部分。例えば図６のｃの長さ）が狭くなり、設計通りに作製することが困難になる。したがって、図５に示したように、図２〜図４において説明したホログラムによって基材厚さと色収差による焦点距離変化を補正し、かつ、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差によって、色収差による球面収差を補正する構成により、容易に制作可能になり、設計どおりの性能を期待できるという効果を得ることができ、より好ましい。

本実施の形態で示した、青色光ビームに対して波長の２倍の光路長の差を生み＋２次回折を起こす深さの鋸歯状の断面形状を持つホログラムを利用して、赤色光ビームの＋１次回折光によって異種ディスクの互換を実現し、かつ、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差によって、色収差による球面収差を補正する概念については、先に挙げたいずれの従来例にも開示されていない。

本実施の形態では、上記の新規な構成により、異種ディスクの互換を実現できる。さらに、青色光ビーム、赤色光ビームいずれに対してもホログラム１３４が凸レンズ作用をもち、回折作用は、色分散が、屈折作用とは逆方向であるので、屈折型の凸レンズである対物レンズ１４４と組み合わせたときに数ｎｍ以内の波長変化に対する色収差とりわけ焦点距離の波長依存性を相殺し低減できるという効果がある。さらに、色収差による球面収差も補正でき、波長の変化に対しても、安定に情報の再生や記録を行うことができる。

したがって、ホログラム１３４と位相段差だけで、異種ディスクの互換と色収差補正の課題を一挙に解決することができるという顕著な効果を有する。すなわち、瞬時の応答に適していない対物レンズのフォーカス制御によることなく、例えば再生から記録へ瞬時の変化による波長変化に瞬時に対応できることになる。

なお、図５と図６では対物レンズ（屈折型レンズ）１４４の表面に位相段差１４４２を形成する場合を例示したが、図７に示すように位相段差１４６２をホログラム１３６の基板表面へ形成することも可能である。この場合の位相段差部分の拡大図を図８に示す。位相段差の段差を青色光に対して波長の５倍の光路長の差を与える段差ｈａの整数倍にする点は図６と同じである。本実施の形態に係る位相段差は、前記のように対物レンズやホログラム等の光学素子又は光学レンズに追加して形成してもよく、位相段差自体を独立した光学素子として形成してもよい。このことは以下の実施の形態においても同様である、
さらに、光ヘッド装置の全体構成としては、下記に付加的に有効な構成例を示す。下記は、本願実施の形態すべてにおいて有効である。ただし、本願の重要な点は、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差、及びこれに組み合わせて用いる対物レンズやホログラムにある。このため、それ以外に説明する構成は下記を含め、すでに説明した構成であるビームスプリッターや検出レンズ、検出ホログラムは必須のものではなく、好ましい構成としてそれぞれ効果を有するものの、それ以外の構成も適宜使用可能である。

図１において、３ビーム格子（回折素子）３をさらに青色レーザー１からビームスプリッター４までの間に配置することにより光ディスク９のトラッキングエラー信号をよく知られたディファレンシャルプッシュプル（ＤＰＰ）法によって検出することも可能である。

また、光軸に対して垂直な２方向をｘ方向とｙ方向と定義したときに、例えばｘ方向のみを拡大するようなビーム整形素子２をさらに青色レーザー１からビームスプリッター４までの間に配置することにより青色光ビーム６１の遠視野像を光軸を中心に点対称形に近い強度分布に近づけることができ、光の利用効率の向上を図ることができる。ビーム整形素子２は、両面シリンドリカルレンズなどを用いることによって構成可能である。

３ビーム格子（回折素子）２２をさらに赤色レーザー２０からビームスプリッター１６までの間に配置することにより光ディスク１０のトラッキングエラー信号をよく知られたディファレンシャルプッシュプル（ＤＰＰ）法によって検出することも可能である。

また、コリメートレンズ８を光軸方向（図１の左右方向）へ動かすことにより光ビームの平行度を変化させることも有効である。基材の厚さ誤差や、光ディスク９が２層ディスクの場合に層間厚さに起因する基材厚さがあると球面収差が発生するが、このようにコリメートレンズ８を光軸方向に動かすことによってその球面収差を補正することができる。このように、コリメートレンズ８を動かすことによる球面収差の補正は、光ディスクに対する集光光のＮＡが０．８５の場合に数１００ｍλ程度可能であり、±３０μｍの基材厚さを補正することもできる。しかし、基材厚０.１ｍｍに対応した対物レンズ１４を用いて、ＤＶＤの記録
・再生を行う際には基材厚差を０．５ｍｍ以上補償する必要があり、コリメートレンズ８の移動だけでは球面収差補正能力が不足であり、ホログラム１３（一例として１３４）による波面変換が必要である。ただし、赤色光ビームを用いて光ディスク１０の記録・再生を行う場合に、コリメートレンズ８を図１の左側、すなわち赤色レーザー２０へ近い側に移動しておくことによって、対物レンズ１４へ向かう赤色光ビームを発散光にし、光ディスク１０に対する集光スポットをより対物レンズ１４から離すと共に、基材厚さによる収差の一部を補正し、ホログラム１３に求められる収差補正量を低減してホログラムピッチを広くし、ホログラム１３の作成を容易にすることもできる。

さらに、ビームスプリッター４を、青色レーザー１から出射する直線偏光の光を一部（例えば１０％程度）透過するようにして、透過した光ビームをさらに集光レンズ６によって光検出器７へ導くと、光検出器７から得られる信号を用いて青色レーザー１の発光光量変化をモニターしたり、さらに、その光量変化をフィードバックして、青色レーザー１の発光光量を一定に保つ制御を行うこともできる。

さらに、ビームスプリッター４を、赤色レーザー１から出射する直線偏光の光を一部（例えば１０％程度）反射するようにして、反射した光ビームをさらに集光レンズ６によって光検出器７へ導くと、光検出器７から得られる信号を用いて赤色レーザー２０の発光光量変化をモニターしたり、さらに、その光量変化をフィードバックして、赤色レーザー２０の発光光量を一定に保つ制御を行うこともできる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を説明する。本実施の形態は、実施の形態１に比べて、ホログラム１３４の内周部１３４Ｃの格子断面形状のみを変更するものである。図９は実施の形態１で示したホログラム１３４の内周部１３４Ｃにおける一周期の格子断面形状を説明するものである。図９（ａ）は、物理的な形状を示している。図９（ｂ）は、青色光に対する位相変調量を示している。図９（ｃ）は、赤色光に対する位相変調量を示している。

図９（ａ）において縦方向は鋸歯状格子の深さを示している。図４と違って深さは、赤色光ビームを基準に決定する。ｎｒは、赤色光ビームに対するホログラム材料の屈折率である。ホログラム材料を、例えば、ＢＫ７とすると、λ２＝６６０ｎｍに対しては、ｎｒ＝１.５１４２である。

鋸歯状格子の深さは、赤色光ビームに対して光路長の差が約１波長、すなわち位相差が約２πラジアンになる量にする。この場合、深さｈ２は、
ｈ２＝λ２／（ｎｒ−１）＝１．２８μｍとなる。

一方、青色光ビームに対するホログラム材料の屈折率をｎｂとすると、ホログラム材料がＢＫ７の場合は、ｎｂ＝１.５３０２となる。鋸歯状格子の深さｈ２による赤色光ビームに発生する光路長差は、ｈ１×（ｎｒ−１）で表わされる。したがって、青色光ビームの波長λ１に対する光路長差の倍数は、λ１＝４０５ｎｍ、ｎｂ＝１.５３０２を代入して下記のようになる。

ｈ２×（ｎｂ-１）／λ１＝１．６８
すなわち、光路長差は波長λ１の約１．７倍となり、位相変調量は約３．３５πラジアンとなる。このため、＋２次回折光強度が最大となり、スカラー計算上は約８０％の回折効率となる。

図９（ａ）のように、格子一周期の形状を、深さｈ２の鋸歯状の断面形状にすると、青色光ビームは、先に説明したように＋２次回折が最も強いので、回折角度を決める格子周期は、実質ｐ４／２であり、位相変化は図９（ｂ）と同等となる。そして、赤色光ビームに対しては、＋１次回折が最も強く計算上は回折効率が１００％になり、光の利用効率が高くできる。

また、青色回折光の回折効率は８０％程度に下がるが、中心部の光量が下がると相対的に外周部分の光量が上がることになる。半導体レーザー光源の遠視野像は外周部分ほど強度が低くその一部しか使用できないが、このように内周部分の光量が下がると、遠視野像の、より広い範囲を使用できるので、光の利用効率を向上させることができる。

これは、コリメートレンズ８の焦点距離を短くすることによって実現できるが、これによって、内周部分の光量低下分を補うことが可能である。したがって、本実施の形態の、内周部分を図９を用いて説明したように高さｈ２として、赤色光ビームの回折光強度を最大にするという効果を得ることができ、かつ、このときに青色光ビームの集光スポットに対する光の利用効率も低下しないという効果を得ることができる。

そして、実施の形態１と同様に青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差と組み合わせることにより色収差による球面収差を補正することができる。

本実施の形態のホログラムも、青色光ビーム、赤色光ビームいずれに対してもホログラム１３４が凸レンズ作用をもつ。回折作用は、色分散が、屈折作用とは逆方向であるので、屈折型の凸レンズである対物レンズ１４４と組み合わせたときに数ｎｍ以内の波長変化に対する色収差とりわけ焦点距離の波長依存性を相殺し低減できるという効果がある。

そして、青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差と組み合わせることにより異種ディスクの互換と色収差補正という課題を一挙に解決することができるという顕著な効果を有する。

また、高いＮＡのレンズは製作の難易度が高いが、ホログラムが凸レンズ作用を受け持つことにより組み合わせる屈折型の対物レンズ１４４の製作難易度を緩和できるという効果もある。

さらに、光ヘッド装置の全体構成としては、実施の形態１において付加的に述べた構成を組み合わせることも可能である。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３を説明する。本実施の形態３は、実施の形態１、２と同様に、光ヘッド装置の全体構成例としては図１を挙げることができ、共通である。図１において、ホログラム１３の構成が異なるので、図１０−１２を用いて、実施の形態３の特徴的な要素であるホログラム１３５の働きと構成を説明する。

図１０、１１において、１３５はホログラムである。内周部１３５Ｃは例えば、実施の形態１において示したホログラム１３４の内周部１３４Ｃと同じである。図１２は、ホログラム１３５の外周部１３５Ｂのホログラム格子の一周期（ｐ７）の間の断面を説明する図である。図１２（ａ）は、物理的な形状を示している。図１２（ｂ）は、青色光に対する位相変調量を示している。図１２（ｃ）は、赤色光に対する位相変調量を示している。

図１２（ａ）において、縦方向は鋸歯形状の深さを示している。鋸歯形状の深さｈ３は、青色光ビームに対して光路長の差が約１波長、すなわち位相差が約２πラジアンになる量とする。ｎｂを青色光ビームに対するホログラム材料の屈折率とすると、ホログラム材料が例えばＢＫ７の場合、ｎｂ＝１.５３０２であり、鋸歯形状の深さｈ３は、
ｈ３＝λ１／（ｎｂ−１）＝０．７６４μｍとなる。

一方、赤色光ビームに対するホログラム材料の屈折率をｎｒとすると、ホログラム材料がＢＫ７の場合は、ｎｒ＝１．５１４２となる。深さｈ３による赤色光ビームに発生する光路長差は、ｈ３×（ｎｒ−１）で表わされる。したがって、赤色光ビームの波長λ２に対する光路長差の倍数は、λ２＝６６０ｎｍ、ｎｒ＝１.５１４２を代入して下記のようになる。

ｈ３×（ｎｒ−１）／λ２＝０．５９５
すなわち、光路長差は波長λ２の約０．６倍となり、位相変調量は約１．２πラジアンとなる。したがって＋１次回折光強度が最も強くなり約６０％となる。

このように、図１２（ａ）のように、格子一周期の形状を、深さｈ３の鋸歯状の断面形状にすると、青色光ビームは、＋１次回折が最も強い（実施の形態１や２では外周部においても＋２次回折光が最も強いが、本実施の形態はこの点が異なる）ので、回折角度を決める格子周期は、実質ｐ７であり、位相変化は図１２（ｂ）と同等となる。そして、赤色光ビームに対しても＋１次回折が最も強く、回折角度を決める格子周期は、やはり実質ｐ７である。

ホログラム１３５の外周部１３５Ｂは青色光ビームが約０.１ｍｍの基材厚を通して集光されるように設計する。このとき、赤色光ビームも青色光ビームと同じ回折次数の＋１次回折を受け、赤色の波長λ２が青色の波長λ１よりも長いので回折角度は大きくなる。

ホログラムのブレーズ方向は内周部同様に凸レンズ作用を持つように設計する。このとき、赤色光ビームの方が回折角度が大きいので、強い凸レンズ作用を受ける。これは、内周部（例えば１３４Ｃ）において、赤色光ビームの方が青色光ビームよりも、弱い凸レンズ作用を受ける、又は凹レンズ作用を受ける（１３１Ｃ等）のとは全く異なる。

このため、外周部１３５Ｂによって回折される赤色光ビームは内周部を通る赤色光ビームと同じ場所に集光されない。このようにして、光ディスク９を青色光ビームによって記録・再生するときの開口数ＮＡｂを、光ディスク１０を赤色光ビームによって記録・再生するときの開口数ＮＡｒよりも大きく（ＮＡｂ＞ＮＡｒ）することができる。

そして、実施の形態１と同様に青色光に対して波長の５倍の光路長の差を生じる段差と組み合わせることにより色収差による球面収差を補正することができる。

さらに、光ヘッド装置の全体構成としては、実施の形態１において付加的に述べた構成を組み合わせることも可能である。

（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４に係る光ヘッド装置の要部概略断面図を示している。本図に示した光ヘッド装置は、図５の構成において、ホログラム１３４に代えて液晶型位相変調素子を用いたものである。

液晶型位相変調素子１３７は、電圧を印加したり切ったりできる。すなわち液晶型位相変調素子１３７を電気的にスイッチングすることにより、透過波面に与える位相変調量を切り替えて基材厚差による収差を補正することができる。

この場合、液晶型位相変調素子１３７では、波長変化によって生じる収差（軸上色収差、球面収差とも）を補正することはできない。そこで、位相段差１４４２を組み合わせることによって、軸上色収差と球面収差を含めた色収差をすべて補正する構成としている。

位相段差１４４２は、前記の図５に示した位相段差１４４２と同様の構成であり、波長λ１の青色光に対して５λ１、波長λ２の赤色光に対して３λ２の光路長差を生じさせる段差を単位段差とする位相段差である。

例えば、対物レンズ１４４が青色波長変動１ｎｍに対してその５倍の５ｎｍの収差を生じる毎に位相段差を１段形成すれば、青色に対する色収差を補正することができる。赤色光についても、色収差は同じ方向に生じるのでこれを同様に補正できる。

（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の形態５に係る光ヘッド装置の要部概略断面図を示している。前記実施の形態１−４では、青色の波長λ１の５倍の位相差を生じる段差を単位段差とする位相段差と、回折型のホログラム又は液晶型位相変調素子とを組み合わせた実施の形態を説明した。本実施の形態は、単一の光ディスクの記録再生を前提とするものである。このため、位相段差の１段は、波長の５倍の位相差を生じる段差に限らず、波長の整数倍の位相差を生じる段差としている。

図１４に示した光ヘッド装置は、位相段差１４７２を形成した対物レンズ１４７とホログラム１３４とを組み合わせたものであり、図５の光ヘッド装置と同一構成のものは、同一符号を付している。本図に示した光ヘッド装置は、青色の波長λ１に光ディスク９を記録再生する装置であり、対物レンズ１４７の面１４７１に形成した位相段差１４７２の位相段差の１段は、波長λ１の整数倍の位相差を生じる段差としている。

この構成においても、色収差を補正できる。また、ホログラム１３４は位相段差１４７２と色収差補正を分担できるので、ホログラム１３４の格子ピッチを粗くすることができ、光量の利用効率を高めることができるという効果を得ることができる。

（実施の形態６）
本発明の光ヘッド装置を用いた光情報装置の実施の形態を、図１５に示す。図１５において光ディスク９は、ターンテーブル８２に乗せられ、モータ６４によって回転される。実施の形態１−４に示した光ヘッド装置５５は、光ディスク９の所望の情報の存在するトラックのところまで、光ヘッド装置の駆動装置５１によって粗動される。

光ヘッド装置５５は、光ディスク９との位置関係に対応して、フォーカスエラー（焦点誤差）信号やトラッキングエラー信号を電気回路５３へ送る。電気回路５３はこの信号に対応して、光ヘッド装置５５へ、対物レンズを微動させるための信号を送る。この信号によって、光ヘッド装置５５は、光ディスク９に対してフォーカス制御とトラッキング制御とを行い、光ヘッド装置５５によって、情報の読み出し、書き込み（記録）又は消去を行う。

以上の説明は、搭載する光ディスクを光ディスク９より基材厚の厚い光ディスク１０に交換しても同様である。本実施の形態の光情報装置は、光ヘッド装置として、前記本発明の光ヘッド装置を用いるので、単一の光ヘッド装置によって、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。

なお、光ヘッド装置５５を実施の形態５のように、単一の光ディスク専用としたものでもよい。このことは、以下の実施の形態７−１０においても同様である。

（実施の形態７）
本実施の形態は、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備したコンピューターの実施の形態である。図１６は、本実施の形態に係るコンピューターの斜視図である。

本図に示したコンピューター１００は、実施の形態６に係る光情報装置６７と、情報の入力を行うためのキーボードマウス又はタッチパネルなどの入力装置６５と、入力装置６５から入力された情報や、光情報装置６７から読み出した情報などに基づいて演算を行う中央演算装置（ＣＰＵ）などの演算装置６４と、演算装置６４によって演算された結果などの情報を表示するブラウン管や液晶表示装置、プリンターなどの出力装置８１とを備えている。

本実施の形態に係るコンピューターは、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備しており、異なる種類の光ディスクを安定に記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。

（実施の形態８）
本実施の形態は、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備した光情報媒体（光ディスク）プレーヤーの実施の形態である。図１７は、本実施の形態に係る光情報媒体プレーヤーの斜視図である。

本図に示した光ディスクプレーヤー１２１は、実施の形態６の光情報装置６７と、光情報装置６７から得られる情報信号を画像に変換する情報から画像への変換装置６６（例えばデコーダー）を備えている。本構成はカーナビゲーションシステムとしても利用できる。また、液晶モニターなどの表示装置１２０を加えた形態も可能である。

本実施の形態に係る光情報媒体（光ディスク）プレーヤーは、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備しており、異なる種類の光ディスクを安定に記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。

（実施の形態９）
本実施の形態は、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備した光情報媒体（光ディスク）レコーダーの実施の形態である。図１８は、本実施の形態に係る光ディスクレコーダーの斜視図である。

本図に示した光ディスクレコーダー１１０は、実施の形態６に係る光情報装置６７と、画像情報を光情報装置６７によって光ディスクへ記録する情報に変換する画像から情報への変換装置６８（例えばエンコーダー）を備えている。

光情報装置６７から得られる情報信号を画像に変換する情報から画像への変換装置６６（デコーダー）も有することが好ましい。この構成によれば、既に記録した部分を再生することも可能となる。さらに、情報を表示するブラウン管、液晶表示装置又はプリンターなどの出力装置６１を備えてもよい。

本実施の形態に係る光ディスクレコーダーは、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備しており、異なる種類の光ディスクを安定に記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。

（実施の形態１０）
本実施の形態は、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備した光情報装置の実施の形態である。図１９は、本実施の形態に係る光情報装置の斜視図である。

本図に示した光情報装置は、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を備えている。入出力端子６９は、光情報装置６７に記録する情報を取り込んだり、光情報装置６７によって読み出した情報を外部に出力する有線又は無線の入出力端子である。これによって、ネットワーク、すなわち複数の機器、例えばコンピューター、電話、テレビチューナーなどと情報をやりとりし、これら複数の機器から共有の情報サーバー（光情報媒体（光ディスク）サーバー）、として利用することが可能となる。情報を表示するブラウン管や液晶表示装置、プリンターなどの出力装置８１を備えてもよい。

本実施の形態に係る光情報装置は、前記実施の形態６に係る光情報装置６７を具備しており、異なる種類の光ディスクを安定に記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。

さらに、複数の光ディスクを光情報装置６７に出し入れするチェンジャー１３１を具備することにより、多くの情報を記録・蓄積できることになる。
る。

なお、前記実施の形態７−１０において図１６−１９には出力装置８１や液晶モニター１２０を示したが、出力端子を備えて、出力装置８１や液晶モニター１２０は持たず、別売りとする商品形態があり得ることはいうまでもない。

また、図１７と図１８には入力装置は図示していないが、キーボードやタッチパネル、マウス、リモートコントロール装置など入力装置も具備した商品形態も可能である。逆に、前記実施の形態７−１０において、入力装置は別売りとして、入力端子のみを持った形態も可能である。

以上のように、本発明によれば、異なる種類の光ディスクの互換再生や互換記録を単一の対物レンズを用いて実現し、かつ光量切り替え時などの波長変化に際して、焦点距離の変化や球面収差の発生を抑制し、安定した情報の再生又は記録ができるので、光ヘッド装置、光情報装置、コンピューター、光情報媒体プレーヤー、カーナビゲーションシステム、光情報媒体レコーダー、光情報媒体サーバーに有用である。

本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の概略断面図。 本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の要部概略断面図。 （ａ）は本発明の一実施の形態に係るホログラムの平面図、（ｂ）は（ａ）図の断面図。 （ａ）は本発明の一実施の形態に係る回折格子の要部概略断面図、（ｂ）、（ｃ）は位相変化の説明図。 本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の要部概略断面図。 図５に示した位相段差の要部拡大概略断面図。 本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の要部概略断面図。 本発明の一実施の形態に係る位相段差の要部拡大概略断面図。 （ａ）は本発明の一実施の形態に係る回折格子の要部概略断面図、（ｂ）、（ｃ）は位相変化の説明図。 本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の要部概略断面図。 （ａ）は本発明の一実施の形態に係るホログラムの平面図、（ｂ）は（ａ）図の断面図。 （ａ）は本発明の一実施の形態に係る回折格子の要部概略断面図、（ｂ）、（ｃ）は位相変化の説明図。 本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の要部概略断面図。 本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の要部概略断面図。 本発明の一実施の形態に係る光情報装置の概略断面図。 本発明の一実施の形態に係るコンピューターの概略斜視図。 本発明の一実施の形態に係る光ディスクプレーヤの概略斜視図。 本発明の一実施の形態に係る光ディスクレコーダー（又はカーナビゲーションシステム）の概略斜視図。 本発明の一実施の形態に係る光ディスクサーバーの概略斜視図。 従来の光ヘッド装置の一例の要部概略断面図。 従来の光ヘッド装置の一例の概略断面図。 （ａ）は従来のホログラムの一例の平面図、（ｂ）は（ａ）図の断面図。

符号の説明

１，２０ レーザー光源
２ ビーム整形素子
３，２２ ３ビーム格子
４，１６ ビームスプリッター
５ １／４波長板
６ 集光レンズ
７ 光検出器
８ コリメートレンズ
９，１０ 光ディスク
１３ ホログラム
１４,１４４,１４５,１４６,１４７ 対物レンズ
１５ 駆動手段
３２ 検出レンズ
３３ 光検出器
５１ 光ヘッド装置の駆動装置
５３ 電気回路
５５ 光ヘッド装置
６４ 演算装置
６５ 入力装置
６６ デコーダー
６７ 光情報装置
６８ エンコーダー
６９ 入出力端子
７７ 光ディスクプレーヤー（又はカーナビゲーションシステム）
８１ 出力装置
１００ コンピューター
１１０ 光ディスクレコーダー
１３０ 光ディスクサーバー
１４４２,１４６２,１４７２ 位相段差

Claims (18)

1. 波長３９０ｎｍ〜４１５ｎｍの青色光と波長６３０〜６８０ｎｍの赤色光の少なくとも２波長に対応した光学レンズであって、
   前記光学レンズは、屈折型レンズと、ホログラムと、複数の段差を有する位相段差と、を備え、
   前記３９０ｎｍ〜４１５ｎｍから選ばれた青色光の基準波長λ１、前記６３０ｎｍ〜６８０ｎｍから選ばれた赤色光の基準波長λ２、前記位相段差の前記基準波長λ１に対する屈折率ｎｂ、前記基準波長λ２に対する屈折率ｎｒは、
   ３×λ２／（ｎｒ−１）＝５×λ１／（ｎｂ−１）を満たし、
   前記段差の高さｈａは、ｈａ＝５×λ１／（ｎｂ−１）であり、
   前記位相段差は、前記屈折型レンズ又は前記屈折型レンズと前記ホログラムによって生じる波長１ｎｍ変化あたりの色収差が一定量となる位置ごとに、前記ｈａの高さの段差が積み重ねられており、
   波長の変化によって、前記屈折型レンズ又は前記屈折型レンズと前記ホログラムとに生じる収差を、前記位相段差に生じる収差によって減じ、
   前記青色光は前記光学レンズによって基材厚がｔ１の基材を通して集光され、前記赤色光は基材厚がｔ１より厚いｔ２の基材を通して集光されることを特徴とする光学レンズ。
2. 前記位相段差は、前記屈折型レンズの表面に一体形成されている請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記ホログラムは、鋸歯状断面形状の鋸歯状格子を含んでおり、前記位相段差は、前記ホログラムの表面であって、前記鋸歯状格子が形成された一主面と対向する表面に形成されている請求項１に記載の光学レンズ。
4. 前記ホログラムは、少なくとも前記ホログラムの光軸との交点を含む内周部に形成され、鋸歯状断面形状の鋸歯状格子を含んでおり、前記鋸歯状格子の深さの設定により、波長が３９０ｎｍ〜４１５ｎｍである青色光に対しては＋２次回折光が最も強く発生し、波長が６３０〜６８０ｎｍである赤色光に対しては＋１次回折光が最も強く発生し、
   内周部に形成される前記鋸歯状格子の深さがｈ１であり、前記ｈ１は、前記青色光に対して約２波長の光路長の差を与え、かつ、前記赤色光に対して約１波長の光路長の差を与える深さであり、
   前記青色光は、基材厚ｔ１の基材を通して集光し、前記青色光の波長λ１が変化したときの焦点距離変化を低減させるように、前記ホログラムを凸レンズ型にして、前記青色光が前記ホログラムにより凸レンズ作用を受けるようにし、
   前記青色光が前記基材厚ｔ１の基材を通して集光するときは、前記赤色光が前記基材厚ｔ２の基材を通して集光するときに比べて、前記ホログラムによる凸レンズ作用を大きくして、前記赤色光の前記基材側の焦点位置を、前記青色光の前記基材側の焦点位置に比べて、前記光学レンズより離す請求項１に記載の光学レンズ。
5. 前記内周部の外側の外周部に、さらにホログラム格子が形成されており、
   前記外周部の前記ホログラム格子は鋸歯状断面形状の鋸歯状格子であり、前記外周部の鋸歯状格子の深さはｈ３であり、前記ｈ３は、前記青色光に対して約１波長の光路長の差を与える深さであり、
   前記外周部においては、前記青色光に対して＋１次回折光が最も強く発生し、赤色光に対しても＋１次回折光が最も強く発生する請求項４に記載の光学レンズ。
6. 前記ホログラムの格子断面形状は、前記ホログラムを形成する基材の外周側に斜面を持つ鋸歯形状である請求項１から５のいずれかに記載の光学レンズ。
7. 前記ホログラム、前記屈折型レンズ、及び前記位相段差を一体固定している請求項１から６のいずれかに記載の光学レンズ。
8. 前記ホログラムを前記屈折型レンズ表面に一体形成している請求項１から６のいずれかに記載の光学レンズ。
9. 前記位相段差を前記屈折型レンズの表面に一体形成している請求項１から６のいずれかに記載の光学レンズ。
10. 青色光が基材厚がｔ１の基材を通して集光される開口数をＮＡｂ、赤色光が基材厚がｔ２の基材を通して集光される開口数をＮＡｒとすると、ｔ１＜ｔ２、かつ、ＮＡｂ＞ＮＡｒである請求項１に記載の光学レンズ。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の光学レンズと、
    前記青色光を出射する第１レーザー光源と、
    前記赤色光を出射する第２レーザー光源と、
    光情報媒体の記録面上で反射した光ビームを受けてその光量に応じて電気信号を出力する光検出部とを備えたことを特徴とする光ヘッド装置。
12. 前記赤色光を前記第２光情報媒体の記録面上へ集光する際に、前記赤色光を略平行光にするコリメートレンズを前記第２レーザー光源側に近づけて、拡散光にした前記赤色光を前記光学レンズに入射させて、前記第２光情報媒体側の焦点位置を前記光学レンズから離す請求項１１に記載の光ヘッド装置。
13. 前記第１レーザー光源と前記第２レーザー光源の発光点の両方を、前記光学レンズの光情報媒体の焦点位置に対して結像関係にあるように配置することによって、共通の光検出器からサーボ信号を検出する請求項１１又は１２に記載の光ヘッド装置。
14. 請求項１１から１３のいずれかに記載の光ヘッド装置と、
    光情報媒体を回転するモーターと、
    前記光ヘッド装置から得られる信号を受け前記信号に基づいて、前記モーター、前記光学レンズ、及び前記レーザー光源の少なくともいずれかを制御及び駆動する電気回路とを備えたことを特徴とする光情報装置。
15. 前記光情報媒体の種類を判別して、基材厚が約０．６ｍｍの光情報媒体に対してはコリメートレンズを第２レーザー光源側に移動する請求項１４に記載の光情報装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の光情報装置を備え、
    入力された情報、及び前記光情報装置から再生された情報の少なくともいずれかに基づいて演算を行う演算装置と、
    前記入力された情報、前記光情報装置から再生された情報、及び前記演算装置によって演算された結果の少なくともいずれかを出力する出力装置を備えたことを特徴とするコンピュータ。
17. 請求項１４又は１５に記載の光情報装置と、前記光情報装置から得られる情報信号を画像に変換するデコーダーとを備えたことを特徴とする光情報媒体プレーヤー。
18. 請求項１４又は１５に記載の光情報装置と、外部との情報のやりとりを行う入出力端子とを備えたことを特徴とする光情報媒体サーバー。

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