JP4880686B2 - カップリングレンズ、光学ヘッドおよび光ディスク装置 - Google Patents

カップリングレンズ、光学ヘッドおよび光ディスク装置 Download PDF

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Description

本発明は、互いに波長の異なる複数の光源を備え、複数種類の光ディスク等の情報記録媒体に対して、光学的に情報の記録または再生を行う光学ヘッドおよび光学ヘッドを具備した光ディスク装置に関する。
近年、青紫色レーザ光を放射する半導体レーザの実用化に伴い、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）と同じディスク径で、より高密度・大容量の光情報記録媒体（以下、光ディスクともいう）であるＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（以下、ＢＤ）が実用化されている。ＢＤとは、波長４００ｎｍ程度の青紫色レーザ光源と、開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ、ＮＡ）を０．８５まで高めた対物レンズを用いて情報の記録または再生が行われる、保護基板厚約０．１ｍｍの光ディスクである。「保護基板厚」とは、レーザ光入射側の光ディスクの表面から情報記録層までの間に存在する、透明層（保護基板）の厚さを意味する。
また、同じく波長４００ｎｍ程度の青紫レーザ光源と、開口数０．６５の対物レンズを用いた、保護基板厚０．６ｍｍのＨＤ ＤＶＤも実用化がなされている。これらの青紫レーザ光源を用いて記録または再生を行う光ディスクを総称して、高密度光ディスクと呼ぶ。
そこで、それぞれ保護基板厚が異なる光ディスクの情報記録面に対して、それぞれ異なる波長のレーザ光を一つの対物レンズを用いて集光させて情報の記録および再生を行う、互換性を有する光学ヘッドが提案されている。このような互換性を有する光学ヘッドを実現するために、種々の構成が考案されている。
例えば、特許文献１には、波長４０５ｎｍ程度、波長６５５ｎｍ程度および波長７８５ｎｍ程度の３つの波長のレーザ光を放射する光学ヘッドが開示されている。この光学ヘッドに実装される対物レンズは高い光学性能を有している。具体的には、この対物レンズは、それぞれ保護基板厚の異なる光ディスクにおいて回折限界性能を有している。
図２５は、特許文献１に記載の対物レンズ１０１の構成を示す。対物レンズ１０１は、ガラス材料で形成された基準レンズ１０１ａ、および、樹脂材料で形成された密着レンズ１０１ｂによって構成されている。密着レンズ１０１ｂは、基準レンズ１０１ａとは異なる材質で形成されており、基準レンズ１０１ａの光ディスク側の面に密着またはほぼ密着して接合または接着されている。特許文献１では、このような対物レンズ１０１によれば、青紫レーザ光を用いた高密度光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤの記録または再生が可能であるとされている。
この対物レンズは、基準レンズと密着レンズの屈折率と分散の差を利用し、レンズの屈折力だけで互いに異なる２つあるいは３つの波長に対して収差を補償している。そのため回折を用いた対物レンズと比較して光量のロスがほとんどなく、全ての波長に対して高い光利用効率が得られるという特徴がある。
一方、基準レンズおよび密着レンズを用いない対物レンズを有する光学ヘッドも知られている。具体的には、１つの対物レンズのレンズ面に回折格子を設けた光学ヘッドである。この光学ヘッドは、光の回折を利用することにより、３つの波長のレーザ光を、それぞれ保護基板厚が異なる光ディスクの情報記録面に対して集光させている。
なお、上記光学ヘッドの変形例として、光源と対物レンズとの間に回折機能を有するカップリングレンズを設けた光学ヘッドも開発されている。
国際公開第２００４／０５３５５７号パンフレット
従来の技術では、波長分散補償性能が考慮されておらず、また、光ディスクの保護基板厚の差異により発生する球面収差の補正効果を十分得ることは困難である。
一方、特許文献１に記載の実施例１〜５では、上述した対物レンズを共用して、高密度光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤに対して情報の記録または再生を行う性能（互換性能）に言及している。
しかしながら、たとえば特許文献１の実施例１によれば、青紫色レーザ光の中心波長４０５ｎｍにおける波長±１ｎｍの変動に対するＲＭＳ波面収差の最良像点位置の変動は１μｍ以上であり、大きい。これでは波長分散補償性能が十分ということはできない。
なお、特許文献１の実施例６および７においては、波長分散補償性能の良好な対物レンズの設計例が示されているが、この対物レンズは、基準レンズおよび密着レンズが共にガラス材料であり、その具体的な作成方法には言及はない。現実的には２つのガラスレンズを精度良く成形した上で、接合あるいは接着して対物レンズを作成することは困難である。
また、特許文献１の実施例７については、ＣＤおよびＤＶＤの記録または再生時に、レーザ光を発散光として対物レンズに入射させるよう示されている。しかし、特にＣＤの物点距離は１９．５ｍｍであり、非常に小さいため、現実的な光学ヘッドを構成することが非常に困難である。実際、光学ヘッドの具体的構成には言及はない。
さらに、高密度光ディスク用のレーザ光の中心波長のばらつきに伴って発生する球面収差について、波長が±５ｎｍばらついた時に発生する球面収差（色球面収差）は１００ｍλを超える。しかし、特許文献１の実施例１には、このような重要な問題に対する見解はなく、色球面収差の補償の方法についての言及はない。
また、特許文献１に記載の光学ヘッドでは、３波長それぞれの物点距離が異なっているため、光学ヘッド上の各波長の発光点および受光点の配置の構成等が複雑になることが想定される。しかし、このような課題についてはなんら言及されていない。例えば、特許文献１の実施例７によれば、ＣＤとＤＶＤの物点距離はそれぞれ２０ｍｍと３８ｍｍであり、非常に小さい。このような光学ヘッドの構成は開示されておらず、実現性が不明である。
なお、ＣＤに対する対物レンズの作動距離（Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ；ＷＤ）は、対物レンズと光ディスクの衝突回避の観点からより大きいほうが好ましい。しかし、特許文献１の実施例４によれば、対物レンズの作動距離は最大でも０．３８ｍｍ程度しかなく、記録型ＣＤの光学ヘッドに用いる対物レンズとしては、十分とはいえない。
また、回折作用を利用して互換性能を確保する光学ヘッドにおいては、光を回折させた際に光量が低下するという非常に重大な問題が存在する。光は、光源から光ディスクに到るまでの往路と、光ディスクで反射されて検出されるまでの復路のそれぞれにおいて回折格子を通過する。通過するたびに光量が低下するため、低下分を考慮して光源の出力を上げておく必要があり、光源の低電力化の妨げとなる。
情報記録面の多層化が進むにつれ、特に記録時に高出力が要求されている。その上に光量低下を考慮して出力を上げるとすると、大出力に対応するレーザ光源を利用しなければならないため、高い製造技術が要求される。その結果、光学ヘッドの製造コストが上昇する。
なお、特定の波長域のレーザ光に対してであれば、光量の低下を抑えながら所望の回折作用を与えるよう、回折格子を設計することは可能である。しかしながら、複数の波長のレーザ光のすべてに対して、光量の低下をなくし、かつ、所望の回折作用を与えることは、極めて困難である。
本発明の目的は、保護基板厚が異なる光ディスクの情報記録面に対して３つの異なる波長のレーザ光を、一つの対物レンズを用いて集光させ、高密度光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤに対して、波長の変動時を含めた各種の収差を補償し、良好な記録または再生性能が得られる光学ヘッドおよび光ディスク装置を、実現可能な光学系で実現することである。
本発明によるカップリングレンズは、複数の光源から放射される異なる波長のレーザ光を、それぞれ異なる種類の光情報記録媒体の情報記録面に集光する光学ヘッドに組み込まれる。前記カップリングレンズは、互いの光軸が一致するように実質的に密着されるとともに、密着面において前記異なる波長のレーザ光がそれぞれ屈折するように設計された第１レンズおよび第２レンズを備え、前記異なる波長のレーザ光のうち、最も短い波長に対してアフォーカルである。
前記カップリングレンズは、前記光軸と交わる３つのレンズ面を備え、前記第２レンズに面していない側の前記第１レンズのレンズ面である第１レンズ面、実質的に密着された前記第１レンズおよび前記第２レンズの密着面をなす第２レンズ面、および、前記第１レンズに面していない側の前記第２レンズのレンズ面である第３レンズ面を有しており、前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面の少なくとも１つのレンズ面が非球面形状で形成されていてもよい。
前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面の少なくとも１つのレンズ面の有効領域のうち、光軸を含む第１有効領域と、前記第１領域の周囲に位置する第２有効領域とは異なる非球面形状で形成されていてもよい。
前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面の少なくとも１つのレンズ面の有効領域のうち、前記第１有効領域の形状を規定するために用いられる非球面係数と、前記第２有効領域の形状を規定するために用いられる非球面係数とが異なっていてもよい。
前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面について、各々の前記第１有効領域と前記第２有効領域とは異なる非球面形状で形成されていてもよい。
前記第１レンズは凹レンズとして機能し、前記第２レンズは凸レンズとして機能してもよい。
前記第１レンズと前記第２レンズとは、接合または接着されていてもよい。
前記第１レンズと前記第２レンズとを実質的に密着して保持するホルダをさらに備えていてもよい。
前記第１レンズおよび前記第２レンズは、材質が異なる樹脂材料で形成されていてもよい。
前記第１レンズ面には光学的な段差が設けられていてもよい。
前記第１レンズおよび前記第２レンズは、一方がガラス材料で形成され、他方が樹脂材料で形成されていてもよい。
前記第１レンズおよび前記第２レンズの一方は、紫外線硬化樹脂で形成されていてもよい。
前記樹脂材料のガラス転移温度は３００度以下であってもよい。
前記第１レンズおよび前記第２レンズは、材質が異なるガラス材料で形成されていてもよい。
前記第１レンズのガラス材料のガラス転移温度と、前記第２レンズのガラス材料のガラス転移温度との差は、２００度以上であってもよい。
本発明による光学ヘッドは、異なる波長のレーザ光を放射する複数の光源と、対物レンズと、前記複数の光源および前記対物レンズの間の光路上に配置された、前記カップリングレンズとを備え、前記対物レンズと前記カップリングレンズとによって、前記異なる波長のレーザ光をそれぞれ異なる種類の光情報記録媒体の情報記録面に集光する。
前記複数の光源は、波長λ１のレーザ光を放射する第１光源、波長λ２のレーザ光を放射する第２光源、および、波長λ３のレーザ光を放射する第３光源を含んでおり、前記波長λ１、前記波長λ２および前記波長λ３は、３５０ｎｍ＜λ１＜４５０ｎｍ、６００ｎｍ＜λ２＜７００ｎｍ、７５０ｎｍ＜λ３＜８５０ｎｍを満たしてもよい。
前記カップリングレンズは、前記波長λ１の波長変動に伴って発生する前記対物レンズの色収差を補正してもよい。
前記第１レンズのｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）およびＦ線（波長４８６．１３ｎｍ）およびＣ線（波長６５６．２７ｎｍ）の屈折率を用いて表されるアッベ数をνｄ１、前記第２レンズのｄ線およびＦ線およびＣ線の屈折率を用いて表されるアッベ数をνｄ２として、アッベ数νｄ１およびアッベ数νｄ２が、νｄ１＜νｄ２を満たしてもよい。
前記アッベ数νｄ１および前記アッベ数νｄ２が、それぞれ、νｄ１＜３５およびνｄ２＞５０を満たしてもよい。
前記光学ヘッドは、レーザ光の波長に応じて、前記レーザ光を略平行光、発散光または収束光に変換して前記対物レンズに入射させる変換部をさらに備えていてもよい。
前記変換部は、少なくとも前記波長λ１のレーザ光を略平行光として前記対物レンズに入射させるコリメートレンズと、放射されているレーザ光の波長に対応する駆動信号に基づいて前記コリメートレンズを光軸方向に移動させる駆動部とを備えていてもよい。
前記波長λ１のレーザ光を光記録媒体に集光させた時において、前記レーザ光の焦点には光記録媒体の光透過層の厚さに起因して球面収差が発生し、前記変換部は、前記コリメートレンズを光軸方向に沿って移動させて、前記球面収差を補正してもよい。
前記光学ヘッドは、前記対物レンズと物理的に結合されて、前記対物レンズの位置を変化させる可動部を有するアクチュエータをさらに備え、前記カップリングレンズは前記アクチュエータの可動部に固定されて、前記対物レンズと一体的に移動してもよい。
本発明の光学ドライブは、上述のいずれかの光学ヘッドと、光記録媒体を回転駆動するためのモータと、前記光学ヘッドと前記モータとを制御する制御部とを備えている。
本発明によるカップリングレンズを光学ヘッドに組み込むことにより、ＢＤなどの高密度光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤに対して、回折限界性能を有し、かつ、波長分散補償性能に優れた光学ヘッドを得ることができる。
さらに、そのような光学ヘッドを搭載した光ディスク装置は、上述の性能に起因する優れた記録再生性能を有する。
また、本発明によるカップリングレンズを採用すると光学ヘッドの構成は簡略化されるため、光学ヘッドを小型化できる。その結果、そのような光学ヘッドを搭載した光ディスク装置もまた小型化、薄型化を実現できる。
本発明によるカップリングレンズは樹脂材料で形成可能であるため、成形が容易であるとともに、低コストで製造できる。
また、このカップリングレンズおよび対物レンズを組み合わせると、回折作用ではなく屈折作用によって、光源からの光を、対応する各光記録媒体に集光する。回折作用と異なり、屈折作用は光量を低下させることがないため、光源から光を出力する際に光量の低下を考慮して出力を上げる必要はない。よって、大出力に対応した光源を光学ヘッドに搭載する必要はなくなり、光学ヘッドを低コストで製造できる。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるカップリングレンズ、そのカップリングレンズを組み込んだ光学ヘッドおよびその光学ヘッドを利用した光ディスク装置の各実施形態を説明する。
以下に説明する実施形態では、いわゆる３波長に対応した光学ヘッドを説明する。光学ヘッドは、光ディスク装置（光ディスクドライブ）に搭載されて、光ディスクの種類に応じて３波長のレーザ光の１つを光ディスクに照射して光ディスクに情報を記録し、または光ディスクから情報を読み出す。
光ディスクの種類は、ＢＤ，ＤＶＤおよびＣＤであるとする。説明の簡単化のため、以下ではいずれも情報記録層は１つであるとする。
ＢＤの保護基板厚は約０．１ｍｍである。ＢＤへの情報の記録および／またはＢＤからの情報の再生に利用されるレーザ光の波長は、約４０５ｎｍである。ＢＤに対応する対物レンズ１の開口率ＮＡは０．８５である。
また、ＤＶＤの保護基板厚は約０．６ｍｍである。ＤＶＤに対応するレーザ光の波長は、約６５５ｎｍである。
一方、ＣＤの保護基板厚は約１．２ｍｍである。ＣＤに対応するレーザ光の波長は、約７８５ｎｍである。
以下では、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤに対応するレーザ光の波長を、それぞれの基準波長（４０５ｎｍ、６５５ｎｍおよび７８５ｎｍ）によって特定することとする。
本発明による光学ヘッドでは、３波長のレーザ光のいずれもが共通の対物レンズから光ディスクに照射される。
本発明による光学ヘッドには、カップリングレンズが設けられている。
青紫色レーザ光はカップリングレンズおよび対物レンズの屈折効果のみによってＢＤの情報記録層に集束される。回折格子を設けないためレーザ光の透過効率は１００％近くに維持される。その結果、情報の記録または再生に必要とされるレーザパワーを抑えることができる。特に情報の記録時には再生時よりも高いパワーが必要とされるため、消費電力の抑制により効果的である。
なお、回折格子が設けられた対物レンズでは、すべての波長についてバランスよく透過効率を高めることができない。ＣＤ、ＤＶＤおよびＢＤの各情報記録層に各波長のレーザ光を集束させる際、すべての波長に関して１００％近くの回折効率を得ることはできないためである。ＢＤの回折効率を１００％近くに設定することは可能であるが、その結果、たとえばＤＶＤの回折効率が５０％以下になることもある。また、回折効率が低い波長に対してはレーザ光の照射時に光量が低下するのみならず、光ディスクで反射されたレーザ光の受光時にもさらに光量が低下するため、必要な反射光量を確保するためには、レーザのパワーを高く設定せざるを得ない。よって回折格子を利用しない対物レンズが好適である。
さらに本発明のカップリングレンズを用いると、レーザ光の波長の変動に対して対物レンズにおいて発生する色収差の変動を低減することが可能であり、特に青紫色レーザ光に対して高い効果を発揮する。したがって、たとえば再生動作を記録動作に切り替えたときに青紫色レーザ光の波長が変動しても、本発明の対物レンズによればその影響を受けにくい。よって、常に正確な記録・再生動作を実現できる。特に、記録の失敗は致命的なデータの損失を招く恐れが高いため、正確な記録動作が実現できることが極めて重要である。よって本発明のカップリングレンズおよび対物レンズの組み合わせが好適である。
（実施形態１）
図１は、本実施形態による光学ヘッド２０の概略構成図である。
光学ヘッド２０は、対物レンズ１と、光源２と、ビームスプリッタ３と、リレーレンズ４と、ダイクロイックプリズム５と、コリメートレンズ６と、開口制限素子７と、カップリングレンズ８と、受光素子９と、受発光一体素子１０とを有する。
光源２は青紫レーザ光を出射し、受発光一体素子１０は、赤色レーザ光を出射する光源と、赤外レーザ光を出射する光源とを備えている。また、受発光一体素子１０は、ＣＤおよびＤＶＤで反射した各光を受光する素子も一体化されている。なお、本実施形態において「光源」とは、青紫レーザ光、赤色レーザ光および赤外レーザ光の各々を放射する独立した光源を意味する。受発光一体素子１０は全体として１つの光源と把握することは可能であるが、本実施形態においては２つの光源が設けられているとして説明する。
ダイクロイックプリズム５は、所定以下の波長の光を反射する。受光素子９は、青紫レーザ光を受光する。カップリングレンズ８は、対物レンズ１を駆動する２軸アクチュエータの可動部（図示せず）に保持され、対物レンズ１と一体でフォーカス方向とトラッキング方向に駆動される。なお、図１には参考のためＢＤ６０が示されている。
以下、ＢＤ６０に対して、情報の記録または再生を行う光学ヘッド２０の動作を説明する。光源２から出射された波長４０５ｎｍの青紫レーザ光は、ビームスプリッタ３、リレーレンズ４を透過する。さらに、ダイクロイックプリズム５で反射された後、コリメートレンズ６で略平行光に変換され、開口制限素子７でＮＡが０．８５となるよう開口を制限された後、カップリングレンズ８を透過して、対物レンズ１によって、保護基板越しにＢＤ６０の情報記録面に光スポットとして集光される。
ＢＤ６０の情報記録面で反射したレーザ光は、再び対物レンズ１、カップリングレンズ８、開口制限素子７、コリメートレンズ６を透過し、ダイクロイックプリズム５で反射され、リレーレンズ４を透過した後、ビームスプリッタ３で反射され、受光素子９に導かれる。
次に、図２を参照しながら、ＤＶＤ７０に対して情報の記録または再生を行う光学ヘッド２０の動作を説明し、その後図３を参照しながら、ＣＤ８０に対して情報の記録または再生を行う光学ヘッド２０の動作を説明する。
図２は、光ディスクがＤＶＤ７０であるときの、光学ヘッド２０内の光路の状態を示す。
受発光一体素子１０から出射された波長６５５ｎｍの赤色レーザ光は、ダイクロイックプリズム５を透過し、対物レンズ１側に移動したコリメートレンズ６で発散光に変換され、開口制限素子７でＮＡが０．６０となるように開口を制限された後、カップリングレンズ８を透過して、対物レンズ１によって、保護基板越しにＤＶＤ７０の情報記録面に光スポットとして集光される。ＤＶＤ７０の情報記録面で反射したレーザ光は、再び対物レンズ１、カップリングレンズ８、開口制限素子７、コリメートレンズ６、ダイクロイックプリズム５を透過し、受発光一体素子１０に戻り受光される。
図３は、光ディスクがＣＤ８０であるときの、光学ヘッド２０内の光路の状態を示す。
受発光一体素子１０から出射された波長７８５ｎｍの赤外レーザ光は、ダイクロイックプリズム５を透過し、受発光一体素子１０側に移動したコリメートレンズ６で発散光に変換され、開口制限素子７でＮＡが０．４７となるように開口を制限された後、カップリングレンズ８を透過して、対物レンズ１によって、保護基板越しにＣＤ８０の情報記録面に光スポットとして集光される。ＣＤ８０の情報記録面で反射したレーザ光は、再び対物レンズ１、カップリングレンズ８、開口制限素子７、コリメートレンズ６、ダイクロイックプリズム５を透過し、受発光一体素子１０に戻り受光される。
次に、図４〜９を参照しながら、本実施形態によるカップリングレンズ８を詳細に説明する。
図４は、カップリングレンズ８の概略構成図である。カップリングレンズ８は、第１レンズ８ａおよび第２レンズ８ｂを有している。光学ヘッド２０に実装されたとき、第１レンズ８ａはコリメートレンズ６側に向けられ、第２レンズ８ｂは対物レンズ１側に向けられる。
本実施形態では、カップリングレンズ８に対して光軸と交わる３つのレンズ面を定義する。すなわち、第２レンズ８ｂに面していない側の第１レンズ８ａのレンズ面である第１面８１、実質的に密着された第１レンズ８ａおよび第２レンズ８ｂの密着面をなす第２面８２、および、第１レンズ８ａに面していない側の第２レンズ８ｂのレンズ面である第３面８３である。
本実施形態によるカップリングレンズ８の特徴のひとつは、第１レンズ８ａと第２レンズ８ｂとが、互いの光軸が一致するように実質的に密着されるとともに、密着面８２において、青紫レーザ光、赤色レーザ光および赤外レーザ光がそれぞれ屈折されており、かつカップリングレンズ８は、波長が最も短い青紫レーザ光に対してアフォーカルに設計されていることにある。
ここで「アフォーカル」とは、焦点距離が無限大であることを意味する。カップリングレンズ８が青紫レーザ光に対してアフォーカルである、という意味は、青紫レーザ光に対しては、カップリングレンズ８の凸レンズのパワーと凹レンズのパワーとが略等しくなっていることを表す。ただし、第１面８１、第２面（密着面）８２、第３面８３において、青紫レーザ光もまた、屈折の作用を受けている。レンズの屈折作用によって、入射したレーザ光の光束径は拡大または縮小して、カップリングレンズ８から出力され得る。
第１レンズ８ａと第２レンズ８ｂとは、第２面８２にて密着またはほぼ密着して接合または接着されている。第１レンズ８ａの第２レンズ８ｂと接合または接着している面と、第２レンズ８ｂの第１レンズ８ａと接合または接着している面は、同じまたはほぼ同じ非球面形状を有している。なお、別々に成形した第１レンズ８ａと第２レンズ８ｂとを所定のホルダに挿入することで、両者をほぼ密着して保持することも可能である。
第１レンズ８ａの材質としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８４、νｄ＝３０．１）を用い、第２レンズ８ｂの材質としてＺＥＯＮＥＸ３３０Ｒ（ｎｄ＝１．５０８、νｄ＝５６．５）を用いる。ここで屈折率ｎｄは、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）における屈折率を表し、アッベ数νｄは、ｄ線およびＦ線（波長４８６．１３ｎｍ）およびＣ線（波長６５６．２７ｎｍ）の屈折率を用いて表されるものである。
第１面８１の非球面形状、第２面８２の非球面形状および第３面８３の非球面形状は、下記の（１）式で表される非球面形状によって決定される。
Ｚ＝（１／Ｒ）ｈ2／［１＋［１−（１＋ｋ）・（１／Ｒ）2ｈ2］1/2］＋ΣＡiｈ2i
・・・（１）
ここで、ｈは光軸上の頂点から光軸と垂直方向の距離、Ｒは曲率半径、ｋは円錐定数、Ａｉはｉ＝１〜８項までの非球面係数である。Ｚはｈ、Ｒ、ｋ、Ａｉによって決まる頂点の接平面からの光軸方向の距離（サグ）であり、このＺの値で決まる曲線が各面の非球面断面形状を与える。
（表１〜３）にカップリングレンズ８の仕様を示す。
（表１）における面番号は以下の意味で割り当てられている。すなわち、面番号１が第１面８１、面番号２が第２面（密着面）８２、面番号３が第３面８３を表している。また、面間隔および材料名については、該当する面番号と次の面番号との間の面間隔および材料名を示す。
また、（表２）において、「Ｅ＋０２」〜「Ｅ−０６」はそれぞれ１０の２乗〜１０の−６乗を表す。
カップリングレンズ８と組み合わせて用いられる対物レンズ１は、保護層厚０．０８７５ｍｍのＢＤ６０に対して、波長４０５ｎｍの平行光を入射した場合に球面収差が略ゼロとなる、ＢＤ６０専用の焦点距離２．３ｍｍの対物レンズである。なお、保護層厚が０．１ｍｍの場合はやや発散光を入射し、保護層厚が０．０７５ｍｍの場合はやや収束光を入射することで、保護層厚の差による球面収差を補正することができる。
（表３）の物点距離は、ＢＤ６０を記録または再生する場合は、物点距離が無限遠、すなわち平行光を入射し、ＤＶＤ７０を記録または再生する場合は、物点距離＋６５ｍｍの発散光を入射し、ＣＤ８０を記録または再生する場合は、物点距離＋３０ｍｍの発散光を入射することを示している。
図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施形態のカップリングレンズ８および対物レンズ１を用いて、ＢＤ６０、ＤＶＤ７０、ＣＤ８０のそれぞれの情報記録層にレーザ光を集束させたときの光線の状態を示す。情報の記録または再生の際に、光線は各図に示される状態をとる。
図５（ａ）は、波長４０５ｎｍのレーザ光をＮＡ０．８５で集光させて保護層厚０．０８７５ｍｍのＢＤ６０に集束させたときの光線の状態を示す。同様に、図５（ｂ）は、波長６５５ｎｍのレーザ光をＮＡ０．６０で集光させて保護層厚０．６ｍｍのＤＶＤ７０に集束させたときの光線の状態を示す。図５（ｃ）は、波長７８５ｎｍのレーザ光をＮＡ０．４７で集光させて保護層厚１．２ｍｍＣＤ８０に集束させたときの光線の状態を示す。いずれも、情報の記録または再生が行われているときの状態を示している。
図５（ａ）〜（ｃ）によれば、レーザ光によって、通過する領域が異なっていることが理解される。
図６は波長４０５ｎｍのレーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図であり、入射光角度０．０ｄｅｇ（ａ）と０．５ｄｅｇ（ｂ）を示している。同様に、図７は波長６５５ｎｍのレーザ光をＤＶＤ７０に集束させたときの波面収差図、図８は波長７８５ｎｍのレーザ光をＣＤ８０に集束させたときの波面収差図である。
図６〜８に示すＰＸ軸、ＰＹ軸は光軸に対して垂直な軸であり、ＰＸ軸はＰＹ軸に対して垂直である。縦軸は波面収差を示し、スケールの最小は−１λ、最大は＋１λを示している（λ：波長）。図６〜８に示したとおり、レーザ光の入射光角度を０．０ｄｅｇから０．５ｄｅｇに変化させても、波面収差はそれぞれ±１λ以内の値をとることが確認された。
図９は、入射光角度を横軸に表したＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差図である。ＲＭＳ波面収差とは、理想の波面と実際の波面との標準偏差（ばらつき）を示している。図９では、波長４０５ｎｍの光をＢＤ６０に集束させた場合、波長６５５ｎｍの光をＤＶＤ７０に集束させた場合、波長７８５ｎｍの光をＣＤ８０に集束させた場合のＲＭＳ波面収差を示している。
図９によれば、いずれの場合においても、ＲＭＳ波面収差の値は全て、０．０ｄｅｇ〜０．５ｄｅｇの入射光角度に対して０．０７λ（λ／１４）以下の回折限界以下の値をとり、良好な性能を実現している。
次に、図１０および１１を参照しながら、本実施形態によるコリメートレンズ６およびその周辺の構成を詳細に説明する。
図１０（ａ）および（ｂ）は、コリメートレンズ６、および、コリメートレンズ６を光軸方向に駆動する駆動機構の概略的な構成を示す。いずれも、異なるコリメートレンズ６の位置に応じて、光の広がりが異なっている状態を示している。
駆動機構は、ステッピングモータ３１と、スクリューシャフト３２と、レンズホルダ３３と、ガイド３４とを有する。
図１０（ｂ）に示すように、ステッピングモータ３１を駆動してスクリューシャフト３２を回転させることにより、コリメートレンズ６とコリメートレンズ６を保持するレンズホルダ３３とがガイド３４に沿ってコリメートレンズ６の光軸方向に移動する。
なお、ステッピングモータ３１を用いると、コリメートレンズ６の光軸方向の位置をモニタする必要がない。その理由は、ステッピングモータ３１は、パルス信号が与えられると予め定められたステップ単位で回転するため、パルス信号を与える回数で回転角を正確に制御することが可能だからである。したがって、位置センサ等を用いなくても、パルス信号を与える回数と移動距離との関係からコリメートレンズ６を光軸方向の任意の位置に正確に制御できる。ステッピングモータ３１を用いると、モニタのための構成が不要となり、システムを簡素化できるというメリットがある。
しかし、ステッピングモータ３１に代えて、例えば、磁気回路や圧電素子の駆動によるアクチュエータ等の他の構成によって、コリメートレンズ６を光軸方向に移動してもよい。磁気回路や圧電素子の駆動によるアクチュエータは駆動部分が小さいため、光学ヘッドの小型化に適しているというメリットがある。
図１１は、コリメートレンズ６を光軸方向に駆動した時の光線の状態を示す。ＢＤ６０の保護基板の厚さの違いによって発生する球面収差は、対物レンズ１に入射するレーザ光の発散・収束の程度を変化させ、保護基板の厚さの違いによって発生する球面収差と逆の極性の球面収差を発生させることによって補正することが可能である。
従って、例えば、コリメートレンズ６の出射光が略平行光となる図１１（ａ）を基準として、図１１（ｂ）のように、コリメートレンズ６を光源側に移動することによって、コリメートレンズ６の出射光は発散光となる。これにより、ＢＤ６０の透明基板が厚くなった場合に発生する球面収差を補正できる。
一方、図１１（ｃ）のように、コリメートレンズ６を対物レンズ側に移動すると、コリメートレンズ６の出射光は収束光となる。これにより、ＢＤ６０の透明基板が薄くなった場合に発生する球面収差を補正できる。
ここで、本実施形態に示したように、ダイクロイックプリズム５を挟んで、コリメートレンズ６の反対側、すなわち光源２側にリレーレンズ４を配置することにより、ＢＤ６０を記録または再生するときの光学倍率と、ＤＶＤ７０、ＣＤ８０を記録または再生するときの光学倍率とを、それぞれ所定の値にすることが可能である。
例えば本実施形態においては、ＢＤ６０については、必要なリム強度を確保しつつ、光利用効率が大きくなるよう光学倍率を１５倍程度とする。そしてＤＶＤ７０、ＣＤ８０については、ＤＶＤ用光学ヘッド用途に広く普及している受発光一体素子の仕様に合わせて７倍程度としている。
さらに、本実施形態では、ＢＤ６０の球面収差補正に用いる光軸方向に移動可能なコリメートレンズ６を、ＤＶＤ７０とＣＤ８０の光学系と共通化することで、カップリングレンズ８に入射する光線の入射角度（発散収束度）を切り替えることができる。すなわち、カップリングレンズ８に入射させる光線の角度（物点位置）が異なる場合でも、ＤＶＤ７０を記録または再生するための赤色レーザ光と、ＣＤ８０を記録または再生するための赤外レーザ光の発光点を一致させることができ、２波長のレーザ光を出射可能な光源を用いることができる。
このように赤色レーザ光と赤外レーザ光の発光点を一致させることで、それぞれのレーザ光を受光する受光素子も一体化することができる。すなわち、本実施形態のように、２波長用の受発光一体素子１０を用いて、光学構成をシンプルにできる。上述の受発光一体素子は光学ヘッド用途として広く普及しており、安価に入手可能であるので、本実施形態のような構成とすることで、光学ヘッドを安価に構成できる。
本実施形態においては、青紫レーザ光をカップリングレンズ８に略平行光で入射させ、赤色レーザ光および赤外レーザ光を、カップリングレンズ８に発散光で入射させた場合に、良好な収差性能が得られるカップリングレンズの設計例を用いて説明した。しかしながら、レーザ光がカップリングレンズ８に入射する際に、各レーザ光を平行・収束・発散のいずれの態様で入射させるかの組み合わせは、カップリングレンズ８の設計に依存する。いずれの場合も本発明の適用範囲に含まれることは言うまでもない。
例えば、赤色レーザ光をカップリングレンズ８に略平行光で入射させ、赤外レーザ光をカップリングレンズ８に発散光で入射させた場合に良好な収差性能が得られるカップリングレンズを用いることも可能である。
なおカップリングレンズの設計として、例えば、赤外レーザ光を、カップリングレンズに略平行光または収束光で入射させた場合に良好な収差性能が得られる設計も可能である。しかしながら、このように略平行光または収束光でカップリングレンズに入射した場合は、対物レンズの出射光が収束する位置が対物レンズに近づき、発散光でカップリングレンズに入射させる場合と比較して、ＣＤ８０に対して情報の記録または再生を行う際の作動距離（ＷＤ、Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）が小さくなる。特に記録型のＣＤに対しては、０．４０ｍｍ以上あることが好ましいため、本実施形態で示したように、赤外レーザ光は、カップリングレンズに発散光で入射させることが好ましい。
また、例えば、青紫レーザ光をカップリングレンズ８に収束光または発散光で入射させた場合に良好な収差性能が得られる設計も可能である。しかし、ＢＤのように短波長の光源と光ＮＡの対物レンズ１を用いると、対物レンズ１の移動等に伴う収差および対物レンズ１とカップリングレンズ８との相対的な位置ずれによる収差に対する要求がより厳しくなるため、青紫レーザ光は、カップリングレンズ８に略平行光で入射させることが好ましい。
一方、ＤＶＤ７０に用いられる対物レンズのＮＡは、ＢＤ６０に用いられる対物レンズのＮＡよりも小さいため、収束光または発散光で入射した場合でも収差性能を確保しやすく、また収束光をカップリングレンズに入射させた場合でも、作動距離を確保しやすい。
以上の理由から、ＢＤ６０を記録または再生するための青紫色レーザ光を略平行光で対物レンズに入射し、ＣＤ８０を記録または再生するための赤外レーザ光を発散光で対物レンズに入射し、ＤＶＤ７０を記録または再生するための赤色レーザ光を略平行光または発散光または収束光で対物レンズに入射するよう、光学的に構成することがより好ましい。
上述の例では、対物レンズに入射するレーザ光を発散状態や収束状態に調整するため（すなわち好ましい状態に変換するため）、コリメートレンズ６を光軸方向に移動するとした。しかし、他の手段を採用してもよい。
例えば、レンズを少なくとも一つの屈折率分布可変材料で形成し、電場、磁場または熱を印加することによって屈折率分布可変材料の屈折率分布を変化させ、レンズの焦点距離を変化させてもよい。
さらに、屈折率分布可変レンズレンズに代えて、屈折率の異なる複数種類の不混和性液体でレンズを構成してもよい。レーザ光の波長に応じた大きさの電圧を印加することによって、この不混和性液体の界面の曲率を変化させることができ、それにより、レーザ光の発散・収束の程度（換言すればレンズの焦点距離）を変化させてもよい。
このように、焦点距離可変のコリメートレンズ６を用いてレーザ光の発散・収束を変換する場合は、コリメートレンズを光軸方向に移動する方法と比較して駆動部分がないため、全体を小型化できるというメリットがある。
これまでの実施形態の説明においても言及したように、再生動作から記録動作への切り替え時（発光パワーの切り替え時）や周囲温度の変化などによって、レーザ光源の波長が変動する。ここで、特にレーザ光の波長が短いほど、波長変動に伴う対物レンズの材料の屈折率変動による、最良像点位置の変動による影響が大きくなる。
ここで、本実施形態の対物レンズ１とカップリングレンズ８の組み合わせにおいては、４０５ｎｍの最良（最小）波面収差の位置に対して、波長４０６ｍ、４０４ｎｍに対するＲＭＳ波面収差の最良（最小）波面収差の変動が、約±０．１９μｍに抑えられている。これは、本実施形態のカップリングレンズ８が、凹レンズである第１レンズ８ａと、第１レンズ８ａよりも分散が小さい（すなわちアッベ数が大きい）凸レンズである第２レンズ８ｂで構成されているため、波長変動に伴って凸レンズである対物レンズ１で発生する最良像点位置の変動を、カップリングレンズ８で逆方向に補正する効果がある。すなわち、カップリングレンズ８がいわゆる色消しレンズの効果を備えていることによる。
なおＢＤ６０、ＤＶＤ７０、ＣＤ８０は、それぞれ記録または再生に必要な開口数が異なるため、開口制限素子７を用いて、カップリングレンズ８（対物レンズ１）に入射する光束の光束径を変化させている。開口制限素子７としては、機械的絞り、光学的絞りを用いることが可能である。機械的絞りの例として、開口数に対応する直径の孔を有する板状体を複数枚用意し交換する構成があり、光学的絞りの例として、波長選択性のダイクロイックフィルタやダイクロイックプリズム等を用いる手段があるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以上、本実施形態の光学ヘッド２０は、青紫レーザ光、赤色レーザ光、赤外レーザ光の３波長の光源と、それらに対応する光ディスクの記録再生に対して、それぞれ良好な光学性能を有しており、この対物レンズを用いた光学ヘッドは、例えばＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの３種類の光ディスクに対して、良好に記録または再生を行うことができる。
（実施形態２）
次に、図１２を参照しながら、本実施形態による光学ヘッド３０を説明する。
図１２は、本実施形態による光学ヘッド３０の概略構成図である。図１２に示す光学ヘッド３０が実施形態１による光学ヘッド２０と相違する点は、カップリングレンズの構造にある。他の構成要素は光学ヘッド２０および光学ヘッド３０間で同一であるため、同一の符号を付して、以下その説明を省略する。
図１２は、光ディスクがＢＤ６０であるときの、光学ヘッド３０内の光路の状態を示している。また、図１３は、光ディスクがＤＶＤ７０であるときの、光学ヘッド３０内の光路の状態を示す。図１４は、光ディスクがＣＤ８０であるときの、光学ヘッド３０内の光路の状態を示す。
図１２〜１４によれば、カップリングレンズ１８を通過するレーザ光の径はそれぞれ異なっていることが理解される。その結果、カップリングレンズ１８を通過する際に、青紫レーザ光、赤色レーザ光、赤外レーザ光はそれぞれ異なる光学的作用を受ける。
次に、図１５〜２０を参照しながら、本実施形態によるカップリングレンズ１８を詳細に説明する。
図１５は、本実施形態によるカップリングレンズ１８の概略構成図である。カップリングレンズ１８は、カップリングレンズ１８は、第１レンズ１８ａおよび第２レンズ１８ｂを有している。光学ヘッド３０に実装されたとき、第１レンズ１８ａはコリメートレンズ６側に向けられ、第２レンズ１８ｂは対物レンズ１側に向けられる。
第１レンズ１８ａと第２レンズ１８ｂはそれぞれ、光軸を含んだ３波長の共通領域と、共通領域の外側の青紫波長の専用領域を有している。
本実施形態においても、カップリングレンズ１８に対して光軸と交わる第１面、第２面および第３面を定義する。
第１レンズ１８ａのコリメートレンズ６側の面である第１面は、共通領域１８１ｉおよび専用領域１８１ｏに分けられる。第１レンズ１８ａの対物レンズ１側の面（換言すれば第２レンズ１８ｂのコリメートレンズ６側の面）である第２面または密着面は、共通領域１８２ｉおよび専用領域１８２ｏに分けられる。第２レンズ１８ｂの対物レンズ１側の面である第３面は共通領域１８３ｉおよび専用領域１８３ｏに分けられる。
第１レンズ１８ａと第２レンズ１８ｂとは、第２面１８２ｉと１８２ｏにて密着またはほぼ密着して接合または接着されており、第１レンズ１８ａの第２レンズ１８ｂと接合または接着している面と、第２レンズ１８ｂの第１レンズ１８ａと接合または接着している面は、同じまたはほぼ同じ非球面形状である。なお、別々に成形した第１レンズ８ａと第２レンズ８ｂとを所定のホルダに挿入することで、両者をほぼ密着して保持することも可能である。
本実施形態においては、第１レンズ１８ａを樹脂材料（たとえばポリカーボネイト）で成形し、第２レンズ１８ｂをガラス材料（たとえばＰＢＫ４０）で成形している。これにより、樹脂材料の第１レンズ１８ａを、ガラス材料の第２レンズ１８ｂに密着成形でき、第１レンズ１８ａと第２レンズ１８ｂとの密着面の位置合わせは実質的に不要となる。
密着成形を行うためには、第１レンズ１８ａの樹脂材料のガラス転移温度は、第２レンズ１８ｂに用いられるガラス材料のガラス転移温度よりも低くならなければならない。たとえば、一般的な光学用ガラス材料のガラス転移温度は５００度であるため、第１レンズ１８ａの樹脂材料のガラス転移温度は、３００度以下であることが好ましい。
本実施形態のカップリングレンズ１８において、第２レンズ１８ｂは、光学性能に優れたガラス材料ＰＢＫ４０で成形されている。ガラス材料ＰＢＫ４０の成形は、金型を用いて安価に行うことができる。一方、第１レンズ１８ａは樹脂材料であるポリカーボネイトであり、やはり成形は安価に行うことが可能である。さらに、第１レンズ１８ａのポリカーボネイトのガラス転移温度は１３８度、第２レンズ１８ｂのＰＢＫ４０のガラス転移温度は５０１度であるため、成形した第２レンズ１８ｂに第１レンズ１８ａを密着成形することが可能である。
なお、第１レンズ１８ａの樹脂材料は、第２レンズ１８ｂに対して密着性に優れ、高透過率で耐光性、耐湿性に優れていることが好ましい。
一方、第１レンズ１８ａおよび第２レンズ１８ｂを材質が異なるガラス材料で作製すると、非常に優れた耐光性、耐湿性をもつという特徴がある。第１レンズ１８ａのガラス転移温度と第２レンズ１８ｂのガラス転移温度との間にある程度の差があれば、第２レンズ１８ｂのガラス材料とは異なるガラス材料で第１レンズ１８ａを成形することが可能である。ガラス転移温度の差は、たとえば２００度以上であることが好ましい。材質が異なるガラス材料の第１レンズ１８ａおよび第２レンズ１８ｂを利用するときは、第１レンズ１８ａおよび第２レンズ１８ｂは接着剤によって接着されることが好ましい。
また、紫外線硬化樹脂を利用して、第２レンズ１８ｂに対していわゆるフォトポリマー法（２Ｐ法）で第１レンズ１８ａを成形することも可能である。フォトポリマー法で成形することにより、第１レンズ１８ａおよび第２レンズ１８ｂの位置合わせが不要になる。
上述の例、および以下により具体的に説明する例は、成形された第２レンズ１８ｂに対して、第１レンズ１８ａを密着成形する例である。しかしながら、第１レンズ１８ａと第２レンズ１８ｂとを入れ替えても同様の効果が得られる。たとえば第１レンズ１８ａをガラス材料で成形し、第２レンズ１８ｂを樹脂材料で成形してもよい。
以下、第１レンズ１８ａの材質としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８４、νｄ＝３０．１）を用い、第２レンズ１８ｂの材質としてＰＢＫ４０（ｎｄ＝１．５１８、νｄ＝６３．５）を用いる例を詳細に説明する。
第１面１８１ｉ、１８１ｏの非球面形状、第２面１８２ｉ、１８２ｏの非球面形状および第３面１８３ｉ、１８３ｏの非球面形状は、前述の（１）式で表される非球面形状によって決定される。
（１）式において、ｈは光軸上の頂点から光軸と垂直方向の距離、Ｒは曲率半径、ｋは円錐定数、Ａｉはｉ＝０〜１０項までの非球面係数である。０次の項を含むことに留意されたい。Ｚはｈ、Ｒ、ｋ、Ａｉによって決まる頂点の接平面からの光軸方向の距離（サグ）であり、このＺの値で決まる曲線が各面の非球面断面形状を与える。
なお、０次の項であるＡ0ｈ0、すなわちＡ0は、サグの光軸方向のシフト量を示している。非球面形状を与える（１）式で、０次の項を用いることは一般的ではないが、他の項の非球面係数と同様に、非球面係数の一つとして取り扱うものとする。
（表４〜６）にカップリングレンズ１８の仕様を示す。
（表４）における面番号は、面番号１が第１面１８１ｉと１８１ｏ、面番号２が第２面１８２ｉと１８２ｏ（密着面）、面番号３が第３面１８３ｉと１８３ｏを表している。また、面間隔および材料名については、該当する面番号と次の面番号との間の面間隔および材料名を示す。
また、（表５）において、「Ｅ＋０５」〜「Ｅ−０９」はそれぞれ１０の５乗〜１０の−９乗を表す。
カップリングレンズ１８と組み合わせて用いる対物レンズ１は、実施形態１と同様、保護層厚０．０８７５ｍｍのＢＤ６０に対して、波長４０５ｎｍの平行光を入射した場合に球面収差が略ゼロとなる、ＢＤ６０専用の焦点距離２．３ｍｍの対物レンズである。
また（表６）の物点距離は、ＢＤ６０を記録または再生する場合は、物点距離が無限遠、すなわち平行光を入射し、ＤＶＤ７０を記録または再生する場合は、物点距離−１２０ｍｍの収束光を入射し、ＣＤ８０を記録または再生する場合は、物点距離＋６０ｍｍの発散光を入射する必要があることを示している。
図１６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施形態のカップリングレンズ１８および対物レンズ１を用いて、ＢＤ６０、ＤＶＤ７０、ＣＤ８０のそれぞれの情報記録層にレーザ光を集束させたときの光線の状態を示す。情報の記録または再生の際に、光線は各図に示される状態をとる。
図１６（ａ）は、波長４０５ｎｍのレーザ光をＮＡ０．８５で集光させて保護層厚０．０８７５ｍｍのＢＤ６０に集束させたときの光線の状態を示す。同様に、図１６（ｂ）は、波長６５５ｎｍのレーザ光をＮＡ０．６０で集光させて保護層厚０．６ｍｍのＤＶＤ７０に集束させたときの光線の状態を示す。図１６（ｃ）は、波長７８５ｎｍのレーザ光をＮＡ０．４７で集光させて保護層厚１．２ｍｍＣＤ８０に集束させたときの光線の状態を示す。いずれも、情報の記録または再生が行われているときの状態を示している。
図１６（ａ）〜（ｃ）によれば、青紫レーザ光はカップリングレンズ１８の専用領域と共通領域の両方を透過し、赤色レーザ光および赤外レーザ光は共通領域のみを透過している。
図１７は波長４０５ｎｍのレーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図であり、入射光角度０．０ｄｅｇ（ａ）と０．５ｄｅｇ（ｂ）を示している。同様に、図１８は波長６５５ｎｍのレーザ光をＤＶＤ７０に集束させたときの波面収差図、図１９は波長７８５ｎｍのレーザ光をＣＤ８０に集束させたときの波面収差図である。
図１７〜１９に示すＰＸ軸、ＰＹ軸は光軸に対して垂直な軸であり、ＰＸ軸はＰＹ軸に対して垂直である。縦軸は波面収差を示し、スケールの最小は−１λ、最大は＋１λを示している（λ：波長）。図１７〜１９に示したとおり、レーザ光の入射光角度を０．０ｄｅｇから０．５ｄｅｇに変化させても、波面収差はそれぞれ±１λ以内の値をとることが確認された。
図２０は、入射光角度を横軸に表したＲＭＳ波面収差図である。図２０では、波長４０５ｎｍの光をＢＤ６０に集束させた場合、波長６５５ｎｍの光をＤＶＤ７０に集束させた場合、波長７８５ｎｍの光をＣＤ８０に集束させた場合のＲＭＳ波面収差を示している。
図２０によれば、いずれの場合においても、ＲＭＳ波面収差の値は全て、０．０ｄｅｇ〜０．５ｄｅｇの入射光角度に対して０．０７λ（λ／１４）以下の回折限界以下の値をとり、良好な性能を実現している。
本実施形態においては、青紫レーザ光をカップリングレンズ１８に略平行光で入射させ、赤色レーザ光および赤外レーザ光を、カップリングレンズ１８に発散光で入射させた場合に、良好な収差性能が得られるカップリングレンズの設計例を用いて説明した。しかしながら、レーザ光がカップリングレンズ１８に入射する際に、各レーザ光を平行・収束・発散のいずれの態様で入射させるかの組み合わせは、カップリングレンズ１８の設計に依存する。いずれの場合も本発明の適用範囲に含まれることは言うまでもない。
なお、本実施形態の対物レンズ１とカップリングレンズ１８の組み合わせにおいては、４０５ｎｍの最良（最小）波面収差の位置に対して、波長４０６ｍ、４０４ｎｍに対するＲＭＳ波面収差の最良（最小）波面収差の変動が約±０．４μｍに抑えられている。これは、本実施形態のカップリングレンズ１８が、凹レンズである第１レンズ１８ａと、第１レンズ１８ａよりも分散が小さいすなわちアッベ数が大きい凸レンズである第２レンズ１８ｂで構成されているため、波長変動に伴って凸レンズである対物レンズ１で発生する最良像点位置の変動を、カップリングレンズ１８で逆方向に補正していることによる。
ただし、記録型の高密度光ディスクに対する記録再生性能を向上させるために、波長の変化によって生じる最良像点位置の変動を補正するための色収差補正素子をさらに備えることが好ましい。この場合の色収差補正素子は、回折型の別素子を光路中に挿入してもよいし、コリメートレンズを張り合わせによる色消しレンズとしてもよい。
図２１（ａ）から（ｄ）は、青紫レーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図を示している。ＰＸ軸は光軸に対して垂直な軸を表している。また、縦軸は波面収差を示し、スケールの最小は−１λ、最大は＋１λを示している。
図２１（ａ）は設計波長である４０５ｎｍのレーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図を示す。波面収差は良好な特性を示している。
図２１（ｂ）は設計波長からずれた波長４１０ｎｍのレーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図を示す。図２１（ｂ）によれば、３次の球面収差に加えて、高次の球面収差が発生している。３次の球面収差については、コリメートレンズ６を光源側に移動させて、発散光をカップリングレンズ１８に入射させることにより補正が可能である。図２１（ｃ）は、コリメートレンズ６の移動により補正された波面収差図を示す。
しかしながら、図２１（ｃ）で残存する５次以上の高次球面収差については、コリメートレンズ６の移動では補正することができない。
この波長変動に伴って発生した高次の球面収差は、位相段差を用いて補正することが可能である。本実施形態では、図２２に示すように、位相段差をカップリングレンズ１８の第１面（コリメートレンズ側の面）の非球面形状に重畳して形成している。
図２３は、光軸に垂直な面による位相段差面の断面形状を示す。
図２３において、横軸はカップリングレンズ１８の半径を表す。縦軸はその半径において、位相段差による位相のずらし量を、設計波長４０５ｎｍを１λとしたときの波長λの整数倍で示している。図２３に示すように、１０λの整数倍の位相段差とすることで、赤色レーザ（波長６５５ｎｍ）と赤外レーザ（波長７８５ｎｍ）の波面には影響を与えることなく、青紫レーザの波長の変動に応じた高次球面収差を発生させることができる。この位相段差によって補正された波面は、図２１（ｄ）に示す形状となる。
以上のように、波長変動に伴って発生する球面収差は、コリメートレンズ６の移動による３次の球面収差補正と併せ、位相段差を用いることで高次球面収差も補正することが可能となる。
位相段差は、独立した光学素子として光路中に配置してもよいが、本実施形態で示したように、カップリングレンズ１８のレンズ面に形成することで、部品点数も削減でき、小型化およびコストダウンの面で好ましい。また、位相段差はカップリングレンズ１８の第３面（対物レンズ側の面）に形成しても同様の効果が得られるが、非球面形状に重畳して成形することを鑑みると、金型の作成上、樹脂レンズ側（本実施形態ではポリカーボネイトを用いた第１レンズ側）に位相段差を形成することがより好ましい。
なお、実施形態１で示したカップリングレンズ８を用いた場合、波長変動に伴って発生する球面収差は、そのほとんどが３次の球面収差である。従って、コリメートレンズ６を移動させるだけで波長変動に伴って発生した球面収差を補正可能であり、実質的に位相段差は不要である。
以上、本実施形態の光学ヘッド３０は、青紫レーザ光、赤色レーザ光、赤外レーザ光の３波長の光源と、それらに対応する光ディスクの記録再生に対して、それぞれ良好な光学性能を有しており、この対物レンズを用いた光学ヘッドは、例えばＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの３種類の光ディスクに対して、良好に記録または再生を行うことができる。
なお、実施形態１の光学ヘッド２０、および、実施形態２の光学ヘッド３０では、光源２から波長４０５ｎｍの青紫レーザ光を出射し、別の受発光一体素子１０から波長６５５ｎｍの赤色レーザ光、波長７８５ｎｍの赤外レーザ光を出射する構成としている。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、青紫レーザ光、赤色レーザ光、赤外レーザ光を、それぞれ別の位置に配置した光源から出射する構成としてもよい。また、受光素子９は、光源２とは異なる位置に配置されているが、光源２と受光素子９を同じ位置に配置し、受発光一体素子とした構成でも良い。また、受発光一体素子１０で赤色レーザ光と赤外レーザ光の両方を受光しているが、赤色レーザ光と赤外レーザ光をそれぞれ別の受光素子で受光してもよい。さらに、青紫レーザ光、赤色レーザ光、赤外レーザ光の光源が一体化された３波長光源を用いた構成としてもよく、青紫レーザ光、赤色レーザ光、赤外レーザ光を一体の受光素子で受光してもよい。
さらに、実施形態１の光学ヘッド２０、実施形態２の光学ヘッド３０では、ＢＤ６０を記録または再生する際に波長４０５ｎｍのレーザ光を用い、ＤＶＤ７０を記録または再生する際に波長６５５ｎｍのレーザ光を用い、ＣＤ８０を記録または再生する際に波長７８５ｎｍのレーザ光を用いる場合について説明した。しかしながら、波長３５０〜４５０ｎｍのレーザ光、波長６００〜７００ｎｍのレーザ光、波長７５０〜８５０ｎｍのレーザ光の３つの波長のレーザ光を用いて、３種類の光ディスクに対してそれぞれ記録または再生を行う光学ヘッドにも広く適用可能である。
また、実施形態１によるカップリングレンズ８、および、実施形態２によるカップリングレンズ１８は、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種類の光ディスクに対して、情報の記録または再生を行う光学系に用いられるものである。しかし、これらは、例えば他の高密度光ディスク（保護基板厚０．６ｍｍ、ＮＡ０．６５）、ＤＶＤ、ＣＤの３種類の光ディスクに対して、情報の記録または再生を行う光学系にも適用可能であることは言うまでもない。
（実施形態３）
図２４は、本実施形態による光ディスク装置５０の概略構成図である。
光ディスク装置５０は、光ディスク駆動部５１と、制御部５２と、光学ヘッド５３とを備えている。なお、図２４には光ディスク装置５０に装填されたＢＤ６０が示されているが、これは説明の便宜のためである。いうまでもなくＢＤ６０をＤＶＤ７０あるいはＣＤ８０に交換することは可能である。ただし、ＢＤ６０、ＤＶＤ７０およびＣＤ８０は光ディスク装置５０から取り外し可能であり、光ディスク装置３０の構成要素ではない。以下では、特に言及しない限り、光ディスクはＢＤ６０であるとして説明する。
光ディスク駆動部５１はＢＤ６０を回転駆動するモータである。
光学ヘッド５３は実施形態１または実施形態２による光学ヘッドである。
制御部５２は、いわゆる光ディスクコントローラであり、光ディスク駆動部５１と光学ヘッド５３の駆動および制御を行う。また制御部５２は、光学ヘッド５３で受光された制御信号、情報信号の信号処理を行い、情報信号を光ディスク装置５０の構成要素と外部機器（たとえばホストコンピュータ）との間でインタフェースさせる。
光ディスク装置５０は、実施形態１または実施形態２で述べたいずれかの光学ヘッドを搭載しているので、本実施形態における光ディスク装置５０は、複数の光源とそれらに対応する光ディスクの記録再生に対して、それぞれ良好に記録または再生を行うことができる。
本発明の光学ヘッドは、高密度光ディスク、ＤＶＤおよびＣＤの記録または再生が可能であるので、光学ヘッドの構成が簡単化され、生産性の向上が達成されるとともに、光ディスク装置自身の小型化、軽量化および高精度化ができ、また、安価に光ディスク装置を提供できる。
実施形態１による光学ヘッド２０の概略構成図である。 光ディスクがＤＶＤ７０であるときの、光学ヘッド２０内の光路の状態を示す図である。 光ディスクがＣＤ８０であるときの、光学ヘッド２０内の光路の状態を示す図である。 カップリングレンズ８の概略構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本実施形態のカップリングレンズ８および対物レンズ１を用いて、ＢＤ６０、ＤＶＤ７０、ＣＤ８０のそれぞれの情報記録層にレーザ光を集束させたときの光線の状態を示す図である。 波長４０５ｎｍのレーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図である。 波長６５５ｎｍのレーザ光をＤＶＤ７０に集束させたときの波面収差図である。 波長７８５ｎｍのレーザ光をＣＤ８０に集束させたときの波面収差図である。 入射光角度を横軸に表したＲＭＳ波面収差図である。 （ａ）および（ｂ）は、コリメートレンズ６、および、コリメートレンズ６を光軸方向に駆動する駆動機構の概略的な構成を示す図である。 コリメートレンズ６を光軸方向に駆動した時の光線の状態を示す図である。 実施形態２による光学ヘッド３０の概略構成図である。 光ディスクがＤＶＤ７０であるときの、光学ヘッド３０内の光路の状態を示す図である。 光ディスクがＣＤ８０であるときの、光学ヘッド３０内の光路の状態を示す図である。 実施形態２によるカップリングレンズ１８の概略構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、実施形態２のカップリングレンズ８および対物レンズ１を用いて、ＢＤ６０、ＤＶＤ７０、ＣＤ８０のそれぞれの情報記録層にレーザ光を集束させたときの光線の状態を示す図である。 波長４０５ｎｍのレーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図である。 波長６５５ｎｍのレーザ光をＤＶＤ７０に集束させたときの波面収差図である。 波長７８５ｎｍのレーザ光をＣＤ８０に集束させたときの波面収差図である。 入射光角度を横軸に表したＲＭＳ波面収差図である。 （ａ）から（ｄ）は、青紫レーザ光をＢＤ６０に集束させたときの波面収差図である。 位相段差を有するカップリングレンズ１８を示す図である。 光軸に垂直な面による位相段差面の断面形状を示す図である。 実施形態３による光ディスク装置５０の概略構成図である。 従来の対物レンズ１０１の構成を示す図である。
符号の説明
１ 対物レンズ
２ 光源
３ ビームスプリッタ
４ リレーレンズ
５ ダイクロイックプリズム
６ コリメートレンズ
７ 開口制限素子
８，１８ カップリングレンズ
８ａ，１８ａ 第１レンズ
８ｂ，１８ｂ 第２レンズ
９ 受光素子
１０ 受発光一体素子
２０，３０ 光学ヘッド
３１ ステッピングモータ
３２ スクリューシャフト
３３ レンズホルダ
３４ ガイド
５０ 光ディスク装置
５１ 光ディスク駆動部
５２ 制御部
５３ 光学ヘッド
６０ ＢＤ
７０ ＤＶＤ
８０ ＣＤ
８１ 第１面
８２ 第２面
８３ 第３面
１０１ 対物レンズ
１０１ａ 基準レンズ
１０１ｂ 密着レンズ
１８１ｉ 第１面共通領域
１８１ｏ 第１面専用領域
１８２ｉ 第２面共通領域
１８２ｏ 第２面専用領域
１８３ｉ 第３面共通領域
１８３ｏ 第３面専用領域

Claims (23)

  1. 複数の光源から放射される異なる波長のレーザ光を、それぞれ異なる種類の光情報記録媒体の情報記録面に集光する光学ヘッドに組み込まれるカップリングレンズであって、
    互いの光軸が一致するように実質的に密着されるとともに、密着面において前記異なる波長のレーザ光がそれぞれ屈折するように設計された第１レンズおよび第２レンズを備え、かつ、前記光軸と交わる３つのレンズ面を備えており、
    前記３つのレンズ面は、
    前記第２レンズに面していない側の前記第１レンズのレンズ面である第１レンズ面、
    実質的に密着された前記第１レンズおよび前記第２レンズの密着面をなす第２レンズ面、および、
    前記第１レンズに面していない側の前記第２レンズのレンズ面である第３レンズ面
    であり、前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面の少なくとも１つのレンズ面が非球面形状で形成され、
    前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面の少なくとも１つのレンズ面の有効領域のうち、光軸を含む第１有効領域と、前記第１領域の周囲に位置する第２有効領域とは異なる非球面形状で形成されており、
    前記異なる波長のレーザ光のうち、最も短い波長に対してアフォーカルである、カップリングレンズ。
  2. 前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面の少なくとも１つのレンズ面の有効領域のうち、前記第１有効領域の形状を規定するために用いられる非球面係数と、前記第２有効領域の形状を規定するために用いられる非球面係数とが異なる、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  3. 前記第１レンズ面、前記第２レンズ面および前記第３レンズ面について、各々の前記第１有効領域と前記第２有効領域とは異なる非球面形状で形成されている、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  4. 前記第１レンズは凹レンズとして機能し、前記第２レンズは凸レンズとして機能する、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  5. 前記第１レンズと前記第２レンズとは、接合または接着されている、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  6. 前記第１レンズと前記第２レンズとを実質的に密着して保持するホルダをさらに備えた、請求項５に記載のカップリングレンズ。
  7. 前記第１レンズおよび前記第２レンズは、材質が異なる樹脂材料で形成されている、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  8. 前記第１レンズ面には光学的な段差が設けられている、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  9. 前記第１レンズおよび前記第２レンズは、一方がガラス材料で形成され、他方が樹脂材料で形成されている、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  10. 前記第１レンズおよび前記第２レンズの一方は、紫外線硬化樹脂で形成されている、請求項７または９に記載のカップリングレンズ。
  11. 前記樹脂材料のガラス転移温度は３００度以下である、請求項７に記載のカップリングレンズ。
  12. 前記第１レンズおよび前記第２レンズは、材質が異なるガラス材料で形成されている、請求項１に記載のカップリングレンズ。
  13. 前記第１レンズのガラス材料のガラス転移温度と、前記第２レンズのガラス材料のガラス転移温度との差は、２００度以上である、請求項１２に記載のカップリングレンズ。
  14. 異なる波長のレーザ光を放射する複数の光源と、
    対物レンズと、
    前記複数の光源および前記対物レンズの間の光路上に配置された、請求項１に記載のカップリングレンズと
    を備え、前記対物レンズと前記カップリングレンズとによって、前記異なる波長のレーザ光をそれぞれ異なる種類の光情報記録媒体の情報記録面に集光する光学ヘッド。
  15. 前記複数の光源は、波長λ１のレーザ光を放射する第１光源、波長λ２のレーザ光を放射する第２光源、および、波長λ３のレーザ光を放射する第３光源を含んでおり、前記波長λ１、前記波長λ２および前記波長λ３は、
    ３５０ｎｍ＜λ１＜４５０ｎｍ
    ６００ｎｍ＜λ２＜７００ｎｍ
    ７５０ｎｍ＜λ３＜８５０ｎｍ
    を満たす、請求項１４に記載の光学ヘッド。
  16. 前記カップリングレンズは、前記波長λ１の波長変動に伴って発生する前記対物レンズの色収差を補正する、請求項１４に記載の光学ヘッド。
  17. 前記第１レンズのｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）およびＦ線（波長４８６．１３ｎｍ）およびＣ線（波長６５６．２７ｎｍ）の屈折率を用いて表されるアッベ数をνｄ１、
    前記第２レンズのｄ線およびＦ線およびＣ線の屈折率を用いて表されるアッベ数をνｄ２として、
    アッベ数νｄ１およびアッベ数νｄ２が、
    νｄ１＜νｄ２
    を満たす、請求項１６に記載の光学ヘッド。
  18. 前記アッベ数νｄ１および前記アッベ数νｄ２が、それぞれ、
    νｄ１＜３５およびνｄ２＞５０
    を満たす、請求項１７に記載の光学ヘッド。
  19. レーザ光の波長に応じて、前記レーザ光を略平行光、発散光または収束光に変換して前記対物レンズに入射させる変換部をさらに備えた、請求項１４に記載の光学ヘッド。
  20. 前記変換部は、少なくとも前記波長λ１のレーザ光を略平行光として前記対物レンズに入射させるコリメートレンズと、放射されているレーザ光の波長に対応する駆動信号に基づいて前記コリメートレンズを光軸方向に移動させる駆動部とを備えている、請求項１９に記載の光学ヘッド。
  21. 前記波長λ１のレーザ光を光記録媒体に集光させた時において、前記レーザ光の焦点には光記録媒体の光透過層の厚さに起因して球面収差が発生し、
    前記変換部は、前記コリメートレンズを光軸方向に沿って移動させて、前記球面収差を補正する、請求項２０に記載の光学ヘッド。
  22. 前記対物レンズと物理的に結合されて、前記対物レンズの位置を変化させる可動部を有するアクチュエータをさらに備え、
    前記カップリングレンズは前記アクチュエータの可動部に固定されて、前記対物レンズと一体的に移動する、請求項１４に記載の光学ヘッド。
  23. 請求項１４に記載の光学ヘッドと、
    光記録媒体を回転駆動するためのモータと、
    前記光学ヘッドと前記モータとを制御する制御部と
    を備えた光学ドライブ。
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