JP4943700B2 - 光ピックアップの設計方法、及び、光ピックアップ - Google Patents

Description

本発明は、光ディスク等の情報記録媒体に対して記録及び／又は再生を行う光ピックアップの設計方法、及び、光ピックアップに関する。

光ディスクに対して情報の記録・再生を行う光ディスク装置に用いられる光ピックアップを構成する光源として半導体レーザを用いた場合、他の光源に比べて比較的単色であるものの、波長スペクトラムはいくらかの幅をもっている。このように、光源の波長スペクトラムが幅を持つことにより光学系が色収差をもっている場合には、各波長に対応するビームスポットは、互いにデフォーカスして、すなわち焦点が合わなくなってしまい、結果的に、ビームスポットが良好に絞られていない状態、すなわち、所定の波長の光ビームのビームスポットが絞られた最適な状態であるが、所定の波長からずれた波長の光ビームのビームスポットが最適に絞られていない状態となる。

また、光ディスクに対して情報の記録を行うことが可能な光ピックアップでは、情報を再生しているときと、情報を記録しているときがあり、それぞれの場合に出射する光ビームの光強度が異なる。光源として半導体レーザを用いた場合、この光強度の変化によって波長が微小に変化する。

一方、光学系に色収差がある場合には、波長によって像点までの距離が変化する。このことから、光学系に色収差がある場合には、再生状態と記録状態との間の遷移した瞬間にビームスポットの焦点が合わなくなる、所謂デフォーカスが発生する。

通常、このデフォーカスは、フォーカスサーボによる追従機能により解消されて光ビームは信号記録面に合焦する合焦状態になるが、合焦状態になるまでには所定の時間がかかるため、所定の時間が経過するまでの間は、デフォーカスの状態となることが避けられない。

その一方で、光ピックアップは、記録密度を高めるため波長の短い光ビームを出射する光源と、開口数の高い結像光学系とが用いられるようになっている。しかしながら、光ビームの波長が短く、結像光学系の開口数が高くなるにつれて、焦点深度は浅くなるので、フォーカスには、より高い精度が必要となる。

そのため、従来では、光ピックアップの光学系の色収差は、結像光学系として異なる色分散を有する複数の硝材を用いるなどの方法で補正されており、このことにより、装置の小型化、低コスト化を阻害していた。しかも、使用波長が短く、結像光学系の開口数が高いという事情により、使用可能な硝材に制約が大きいなどの問題があり、色収差の補正は困難なものであった。

以上のように、使用波長が短く、開口数の高い結像光学系を有する光ピックアップにおいて、デフォーカスすることなく良好なビームスポットを得るとともに、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大して構成を容易にすることは、非常に困難とされていた。

特開２００３−２３３９２８号公報

本発明の目的は、デフォーカスすることなく良好なビームスポットを得るとともに、対物レンズを構成する材料の選択の幅を拡大することができ、構成を容易にすることができる光ピックアップの設計方法、及び、光ピックアップを提供することにある。

この目的を達成するため、本発明に係る光ピックアップの設計方法は、少なくとも波長４００〜４１５ｎｍの光ビームを出射する光源から、該光ビームを光ディスクの信号記録面上に集光する開口数が０．６以上の結像光学系までを含む光学系を備え、光ディスクに対して情報の再生を行う光ピックアップを設計する光ピックアップの設計方法において、上記光源から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅をＷ（ｎｍ）とし、上記光学系の色収差をＣ（μｍ／ｎｍ）とし、上記光源から出射される光ビームの波長をＬ（μｍ）とし、上記結像光学系の開口数をＮＡとし、上記光学系の色収差が０．２９〜０．６３（μｍ／ｎｍ）のとき、式（１）を満たすように設計する。
０．１５＜（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（１）

また、本発明に係る光ピックアップは、少なくとも波長４００〜４１５ｎｍの光ビームを出射する光源から、該光ビームを光ディスクの信号記録面上に集光する開口数が０．６以上の結像光学系までを含む光学系を備え、光ディスクに対して情報の再生及び記録を行う光ピックアップにおいて、上記光源から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅をＷ（ｎｍ）とし、再生時と記録時との上記光源から出射される光ビームの波長の差をＪ（ｎｍ）とし、上記光学系の色収差をＣ（μｍ／ｎｍ）とし、上記光源から出射される光ビームの波長をＬ（μｍ）とし、上記結像光学系の開口数をＮＡとし、上記光学系の色収差が０．２９〜０．６３（μｍ／ｎｍ）のとき、式（２）及び式（３）を満たす。
０．１５＜（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（２）
０．１５＜（Ｊ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（３）

本発明に係る光ピックアップは、デフォーカスすることなく良好なビームスポットを得るとともに、対物レンズを構成する材料の選択の幅を拡大することができ、構成を容易にすることを可能とする。

以下、本発明を適用した光ピックアップを用いた光ディスク装置について、図面を参照して説明する。

本発明が適用された光ディスク装置１は、図１に示すように、光ディスク２から情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ３と、光ディスク２を回転駆動する駆動手段としてディスク回転駆動機構４と、光ピックアップ３を光ディスク２の径方向に移動させる送り機構５と、これら光ピックアップ３、ディスク回転駆動機構４、送り機構５を制御する制御部６とを備えている。

ここで用いられる光ディスク２は、例えば、発光波長が４０５ｎｍ程度（青色又は青紫色）の半導体レーザを用いた高密度記録が可能な光ディスク等である。

ディスク回転駆動機構４は、光ディスク２が載置されるディスクテーブル７と、このディスクテーブル７を回転駆動するスピンドルモータ８とを有している。送り機構５は図示しないが、光ピックアップ３を支持する支持ベースと、この支持ベースを移動可能に支持する主軸及び副軸と、支持ベースを移動させるスレッドモータとを有している。

制御部６は、図１に示すように、送り機構５を駆動制御して光ディスク２の径方向に対する光ピックアップ３の位置を制御するアクセス制御回路９と、光ピックアップ３の二軸アクチュエータを駆動制御するサーボ回路１０と、これらアクセス制御回路９、サーボ回路１０を制御するドライブコントローラ１１とを有している。また、この制御部６は、光ピックアップ３からの信号を復調処理する信号復調回路１２と、復調処理された信号を誤り訂正する誤り訂正回路１３と、誤り訂正された信号を外部コンピュータ等の電子機器に出力するためのインターフェース１４とを有している。

以上のように構成された光ディスク装置１は、ディスク回転駆動機構４のスピンドルモータ８によって、光ディスク２が載置されたディスクテーブル７を回転駆動し、制御部６のアクセス制御回路９からの制御信号に応じて送り機構５を駆動制御し、光ピックアップ３を光ディスク２の所望の記録トラックに対応する位置に移動することで、光ディスク２に対して情報の記録及び／又は再生を行う。

ここで、上述した記録及び／又は再生用光ピックアップについて詳しく説明する。

本発明を適用した光ピックアップ３は、図２に示すように、所定の波長の光ビームを出射する光源３１と、この光源３１から出射された光ビームを光ディスク２上に集光する結像光学系として対物レンズ３２と、光ディスク２で反射された戻り光、すなわち復路の光ビームの光路を往路の光ビームの光路から分離する光路分離手段としてビームスプリッタ３３と、ビームスプリッタ３３で分離された戻り光を検出する光検出器３４とを備える。

ビームスプリッタ３３と対物レンズ３２との間には、コリメート光学系としてコリメータレンズ３５が設けられている。また、ビームスプリッタ３３と光検出器３４との間には、マルチレンズ３６が設けられている。

光源３１は、例えば、波長が４０５ｎｍ程度の光ビームを出射する半導体レーザが用いられる。尚、光源は、所謂青色又は青紫色レーザであればよく、すなわち、この光源から出射される光ビームの波長が４００〜４１５ｎｍ程度であってもよい。

ところで、光源３１から出射される光ビームは、図３に示すような光強度分布を有する。この光ビームの光強度分布の全エネルギーの５０％のエネルギーＥを含み、且つピーク波長に対して対称な位置の幅を示すスペクトラム幅をＷ（ｎｍ）とする。このスペクトラム幅Ｗは、一般的に、光強度のピーク値に対して約７５％以上の光強度の波長の幅であることが知られている。すなわち、光源３１から出射される光ビームの光強度分布は、略ガウシアン分布に近似でき、この場合、光強度のピーク値の約３／４の位置、すなわち、ピーク部分Ｐの光強度のレベルを１００％としたときの約７５％の光強度のレベルの位置の幅に含まれるエネルギーＥが全エネルギーの半分となっている。尚、この約７５％の光強度のレベルの位置は、ピーク波長に対して対称な位置である。

また、光源３１から出射される光ビームは、再生状態から記録状態に切り替えられると、図４に示すように、出射パワーが上昇するのに伴い、波長が長くなる方向に変化する。このように再生状態Ｌｒから記録状態Ｌｗに切り替えられた遷移状態において、波長の瞬間的な変化Ｊは、４０５ｎｍの半導体レーザの物性と、現実的な光ピックアップの設計とから概算で０．３ｎｍ程度である。

結像光学系として設けられた対物レンズ３２は、光源３１から出射された光ビームを光ディスク２の信号記録面に集光する。ここでは、結像光学系は、一の対物レンズから構成されるようにしたが、これに限られるものではなく、複数枚の対物レンズ群から構成されてもよい。ここで、結像光学系としての対物レンズ３２の開口数は、０．６以上とされている。

ビームスプリッタ３３は、ハーフミラー面３３ａを有しており、このハーフミラー面３３ａにより、光源３１から出射された往路の光ビームを反射させて光軸を９０°変化させ、コリメータレンズ３５側に導くとともに、光ディスク２で反射された復路の光ビームを透過させて往路の光ビームの光路から分離させてマルチレンズ３６側に導く。

光検出器３４は、光ディスク２で反射された戻り光を受光するフォトディテクタを有し、このフォトディテクタにより、光ディスク２で反射され、対物レンズ３２、コリメータレンズ３５及びビームスプリッタ３３を経由してマルチレンズ３６により集束された復路の光ビームを受光して、情報信号とともに例えばトラッキングエラー信号、フォーカシングエラー信号等の各種信号を検出することができる。

コリメート光学系として設けられたコリメータレンズ３５は、所定の屈折力を有する光学素子であり、入射した光ビームを略平行光として対物レンズ３２側に射出させる。マルチレンズ３６は、ビームスプリッタ３３により光検出器３４側に導かれた光ビームの発散角を変換して、この光ビームを光検出器３４のフォトディテクタ上に集束させる。尚、コリメータレンズ３５及びマルチレンズ３６は、それぞれ１つのレンズにより形成されるようにしたが、各々複数枚のレンズ群から構成されてもよい。

ここで、以上のように構成された光ピックアップ３は、光ディスクに対して情報の再生を行う場合と、光ディスク２に対して情報の記録及び再生を行う場合が考えられるが、ここでは、まず、光ディスク２に対して情報の再生を行う光ピックアップ３Ａについて説明する。尚、光ディスク２に対して情報の記録及び再生を行う光ピックアップ３Ｂについては、後述する。

再生専用の光ピックアップ３Ａは、上述の光源３１、対物レンズ３２、ビームスプリッタ３３、コリメータレンズ３５及び光ディスク２により構成される光学系のクライテリオンが次式（４）を満たすようにされている。
０．１５＜（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（４）
但し、式（４）において、
（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）：光ピックアップ３Ａの上述した光学系のクライテリオン、
Ｗ：光源から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅（ｎｍ）、
Ｃ：光学系の色収差（μｍ／ｎｍ）、
Ｌ：光源から出射される光ビームの波長（μｍ）、
ＮＡ：結像光学系の開口数
である。

また、光ピックアップ３Ａは、上述の光源３１、対物レンズ３２、ビームスプリッタ３３、コリメータレンズ３５及び光ディスク２により構成される光学系の色収差が０．２９〜１．０μｍ／ｎｍを満たすようにされている。

上述した光学系の条件を満足する、すなわち、光学系のクライテリオンが式（４）を満足し、また、光学系の色収差が０．２９〜１．０μｍ／ｎｍを満足する光ピックアップ３Ａの、デフォーカス（Defocus）を与えたときのシンボルエラーレート（Symbol Error Rate）の実験例を図５の曲線Ｓ１に示す。尚、図５において、横軸は、与えるデフォーカスであり、縦軸は、デフォーカスに対するシンボルエラーレートであり、曲線Ｓ１は、上述した光学系の条件を満足する本発明を適用した光ピックアップ３Ａの実験結果、具体的には、光学系の色収差を０．３５μｍ／ｎｍとした実験結果であり、曲線Ｓ２は、本発明と比較するための比較例として光学系の色収差を０．０５μｍ／ｎｍとした例の実験結果である。図５に示すように、上述した光学系の条件を満足する光ピックアップ３Ａは、色収差を十分に低減した光ピックアップ、すなわち、結像光学系の材料を有利なものに選定し、設計条件を極めて厳しいものとして構成した光ピックアップと比較して略同等のエラーレートに抑えることができる。

以上のように構成された光ピックアップ３Ａは、色収差を０．２９（μｍ／ｎｍ）以上とすることで、構成を簡素化することを可能とし製造コストを低減することができ、色収差を１．０（μｍ／ｎｍ）以下とすることで、エラーレートを確実に所定の範囲に抑えることができる。

ここで、光学系の色収差について説明すると、光学系の色収差は、主にコリメート光学系及び結像光学系の構成に起因する。そして、コリメート光学系については、開口数が例えば０．１５以下程度と比較的低いため、色収差に対する寄与が小さく、色収差への影響度を小さくする設計は比較的容易である。これに対し、結像光学系は、使用波長が４００〜４１５ｎｍ程度の青色又は青紫色の光ビームに対しては、硝材の色分散が大きくなることもあって、色収差が大きくなり、０．２９μｍ／ｎｍ以下に抑えることは、設計条件を設定するのが非常に困難であり、結像光学系の使用材料の選定、結像光学系の寸法、成型困難性等の設計条件の設定を狭める要因となるが、上述の光ピックアップ３Ａでは、結像光学系の構成を簡素化し、すなわち、結像光学系の使用材料の選択性を拡大し、設計条件の選択性を拡大することが可能となる。

このように、光ピックアップ３Ａは、上述したような光学系を備え、光学系の色収差が０．２９〜１．０μｍ／ｎｍを満たすので、再生中にデフォーカスすることなく良好なビームスポットを得ることを可能とするとともに、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大し、設計条件の選択性を拡大することを可能とし、構成を容易にすることを可能とする。

また、光ピックアップ３Ａは、光学系のクライテリオンが上述した式（４）の下限以上とすることで、構成を簡素化することを可能とし製造コストを低減できるとともに、式（４）の上限以下とすることでエラーレートを確実に所定の範囲に抑えることができる。

すなわち、光ピックアップ３Ａは、上述したような光学系を備え、光学系のクライテリオンが式（４）を満たすので、再生中にデフォーカスすることなく良好なビームスポットを得ることを可能とするとともに、結像光学系の色収差を考慮する必要が少なくなり、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大し、設計条件の選択性を拡大することを可能とし、構成を容易にすることを可能とする。

ここで、再生専用の光ピックアップ３Ａの信号再生中の再生特性について説明する。

まず、光源３１から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅Ｗを、Ｗ＝０．３（ｎｍ）とする。すなわち、図３に示すように、このスペクトラム幅Ｗに囲まれる範囲に全エネルギーの５０％のエネルギーＥが含まれるものとする。

ここで、色収差Ｃが、Ｃ＝１．０（μｍ／ｎｍ）としたとき、これをデフォーカスｄｅに換算すると、次式（５）のように算出できる。
ｄｅ＝０．５×Ｗ×Ｃ＝０．５×０．３×１．０＝０．１５（μｍ） ・・・ （５）

次に、焦点深度Ｄｆ（の目安）を、次式（６）により算出する。尚、式（６）中において、Ｌは、光源３１から出射される光ビームの波長（μｍ）であり、ＮＡは、結像光学系である対物レンズ３２の開口数である。
Ｄｆ＝０．５×Ｌ／（ＮＡ^２）＝０．５×０．４０５／（０．８５^２）＝０．２８（μｍ） ・・・（６）

上述した式（５）及び式（６）を用いて、焦点深度に対するデフォーカスの割合ＰＤは、次式（７）に示す通りとなる。
ＰＤ＝０．１５／０．２８×１００＝５３（％） ・・・（７）

式（７）で得られたように、ＰＤは、フォーカス深度の半分程度であり、この値は、再生特性に大きな影響を与えることなく、十分な値である。また、Ｃ＝０．２９（μｍ／ｎｍ）としたときも、ＰＤは、５３％より小さくなり、再生特性に大きな影響を与えることはない。その一方で、上述したように、Ｃを０．２９（μｍ／ｎｍ）以上とすることで、レンズ設計上有利となり、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大し、設計条件の選択性を拡大することを可能とする。

以上のように、光ピックアップ３Ａの光学系の条件として上述した式（４）及び色収差の範囲（０．２９〜１．０μｍ／ｎｍ）を用いることは、再生特性に遜色がなく、結像光学系を構成する硝材の自由度、レンズ設計の自由度の点で有利で、且つピックアップの小型化、低価格化に有利であることを示す。

次に、この焦点深度に対するデフォーカスの割合ＰＤの上限及び下限について説明する。

焦点深度に対するデフォーカスの割合ＰＤの下限は、上述した図５に示す実験からも遜色のないエラーレートが得られ、且つ結像光学系を構成する硝材の自由度、レンズ設計の自由度の点で有利で、且つピックアップの小型化、低価格化に有利なことにより設定される。

一方、焦点深度に対するデフォーカスの割合ＰＤの上限は、焦点深度の目安である０．５×Ｌ／（ＮＡ^２）の値は、通常、デフォーカスのマージンに近い値となっており、このデフォーカスのマージンを考慮して設定されている。

このことから、再生特性から考えられる、上述した光学系のクライテリオンは、次式（８）の範囲である必要がある。
０．１５＜（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（８）
但し、式（８）において、
（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）：上述した光学系のクライテリオン、
Ｗ：光源から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅（ｎｍ）、
Ｃ：光学系の色収差（μｍ／ｎｍ）、
Ｌ：光源から出射される光ビームの波長（μｍ）、
ＮＡ：結像光学系の開口数
とする。

この条件を波長Ｌ＝０．４０５μｍ、開口数ＮＡ＝０．８５とする光ディスクにあてはめると、Ｗ＝０．３であるので、色収差Ｃの範囲は、次式（９）に示すとおりとなる。
０．２９＜Ｃ＜１．０（μｍ／ｎｍ） ・・・（９）

次に、光ディスク２に対して情報の記録及び再生を行う光ピックアップ３Ｂについて説明する。

記録再生用の光ピックアップ３Ｂは、上述の光源３１、対物レンズ３２、ビームスプリッタ３３、コリメータレンズ３５及び光ディスク２により構成される光学系のクライテリオンが次式（１０）を満たすようにされている。また、光ピックアップ３Ｂは、光源３１から出射される光ビームの再生時と記録時との波長の差が式（１１）を満たすようにされている。
０．１５＜（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（１０）
０．１５＜（Ｊ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（１１）
但し、式（１０）及び式（１１）において、
（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）：光ピックアップ３Ｂの上述した光学系のクライテリオン、
Ｗ：光源から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅（ｎｍ）、Ｊ：再生時と記録時との光源から出射される光ビームの波長の差（ｎｍ）、
Ｃ：光学系の色収差（μｍ／ｎｍ）、
Ｌ：光源から出射される光ビームの波長（μｍ）、
ＮＡ：結像光学系の開口数
である。

上述した光学系の条件を満足する、すなわち、すなわち、光学系のクライテリオンが式（１０）を満足するとともに再生時と記録時との波長の差Ｊが式（１１）を満足する光ピックアップ３Ｂは、上述した光ピックアップ３Ａの実験例を示す図５と同様のデフォーカスを与えたときのシンボルエラーレートを得ることができ、色収差を十分に低減した光ピックアップ、すなわち、結像光学系の材料を有利なものに選定し、設計条件を極めて厳しいものとして構成した光ピックアップと比較して略同等のエラーレートに抑えることができる。

以上のように構成された光ピックアップ３Ｂは、光学系のクライテリオンが上述した式（１０）の下限以上とすることで、構成を簡素化することを可能とし製造コストを低減できるとともに、式（１０）の上限以下とすることでエラーレートを確実に所定の範囲に抑えることができる。

すなわち、光ピックアップ３Ｂは、上述したような光学系を備え、光学系のクライテリオンが式（１０）を満たすので、再生中にデフォーカスすることなく良好なビームスポットを得ることを可能とするとともに、結像光学系の色収差を考慮する必要が少なくなり、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大し、設計条件の選択性を拡大することを可能とし、構成を容易にすることを可能とする。

次に、記録再生用の光ピックアップ３Ｂの信号再生中から記録開始した瞬間の遷移状態について説明する。

上述したように、光源３１から出射される光ビームの再生状態から記録状態への遷移状態における、波長の瞬間的な変化Ｊは、０．３ｎｍである。尚、この波長の瞬間的な変化Ｊには、フォーカスサーボが追従できない。

この波長の瞬間的な変化Ｊ、すなわち波長差をデフォーカスｄｅ２に換算すると、次式（１２）のように算出できる。ここで、色収差Ｃは、上述と同様に、Ｃ＝１．０（μｍ／ｎｍ）とする。
ｄｅ２＝０．３×１．０＝０．３（μｍ） ・・・（１２）

式（１２）に示すように、記録が始まった瞬間に、０．３μｍのデフォーカスとなる。このデフォーカスは、オートフォーカスによってやがて修正されるが、修正されるまでは、デフォーカスの状態で記録が行われてしまう。

上述した式（６）及び式（１２）を用いて、焦点深度に対する瞬間的なデフォーカスの割合ＰＤ２は、次式（１３）に示す通りとなる。
ＰＤ２＝０．３／０．２８×１００＝１０７（％） ・・・（１３）
式（１３）で得られたように、瞬間的なデフォーカスの割合ＰＤ２は、フォーカス深度と略同程度となるが、この程度の値であれば、フォーカスの引き込み範囲よりも十分小さく、フォーカスが外れてしまうことはあり得ず、フォーカスサーボ動作によって瞬時に補正されるので、記録特性に大きな影響を与えることなく、十分な値である。尚、実験により、式（１３）で算出された値よりも大きな値であっても、色収差がゼロの場合と比べて遜色がない十分な特性が得られることが確認されている。

すなわち、記録が開始されると、光源の出射パワーが上昇し、それに伴い、波長が長い方に移行し、硝材の屈折率は、波長が長いほど小さいため、屈折率が小さければ、焦点距離又は、バックフォーカスが長くなる。

このことにより、記録が開始した瞬間のデフォーカスは、「光ディスクが近すぎる方向」になる。このことから、記録を開始する直前にあらかじめ、その分だけ光ディスクを遠ざける方向に離間させておくという手段をとるように構成してもよい。

この手段によれば、焦点深度を超える瞬間的なフォーカスずれがある状況であっても問題が発生しないといえる。この場合、このフォーカスずれの量が、フォーカスエラー信号の引き込み範囲内であればよいことになり、結局、遷移状態における色収差の問題は実質的にないことになる。

また、Ｃ＝０．２９（μｍ／ｎｍ）としたときも、ＰＤ２は、１０７％より小さくなり、記録特性に大きな影響を与えることはない。その一方で、上述したようにＣを０．２９（μｍ／ｎｍ）以上とすることで、レンズ設計上有利となり、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大し、設計条件の選択性を拡大することを可能とする。

ここで、上述した遷移状態における波長の瞬間的な変化Ｊの概算値（０．３ｎｍ）の算出方法について説明する。

波長４０５ｎｍ程度を用いる２層光ディスクの記録パワーのパルスピーク値は、一般的に、９ｍＷであり、このときの平均パワーＰａは、ピーク値のおよそ４５％であるので、次式（１４）のように算出できる。
Ｐａ＝９×０．４５＝４．０５ｍＷ ・・・（１４）

一方で、再生パワーは、一般的に０．６ｍＷである。これらの記録パワー及び再生パワーは、光ディスクへ入射させるべき光パワーを示すものである。ここで、光ピックアップの光利用効率を１０％とすると、光源から出射される光ビームの記録時及び再生時の出射パワーＰｗ，Ｐｒは、それぞれ、次式（１５）及び次式（１６）により算出したものである。
Ｐｗ＝４．０５／０．１０＝４０．５（ｍＷ） ・・・（１５）
Ｐｒ＝０．６／０．１０＝６（ｍＷ） ・・・（１６）

したがって、式（１５）及び式（１６）で算出された値より、光源から出射される光ビームの出射パワーは、再生時と記録時で次式（１７）で算出される程度の差Ｐｄとなる。
Ｐｄ＝Ｐｗ−Ｐｒ＝４０．５−６＝３４．５（ｍＷ） ・・・（１７）

この式（１７）で算出された値（Ｐｄ）と、光源から出射される光ビームの波長（４０５ｎｍ）のパワー依存性の数値である０．００９〜０．０１（ｎｍ／ｍＷ）とを用いて、
再生時と記録時での波長の差Ｗｄを次式（１８）のように算出できる。尚、式（１８）で算出された波長の差Ｗｄは、光ディスクの種類や光ピックアップのカップリング効率によるものである。
Ｗｄ＝３４．５×０．００９＝０．３（ｎｍ） ・・・（１８）

本発明を適用した光ピックアップ３Ａ，３Ｂは、少なくとも波長４００〜４１５ｎｍの光ビームを出射する光源３１と、開口数が０．６以上とされ、光源３１から出射された光ビームを光ディスクの信号記録面上に集光する結像光学系として対物レンズ３２とを有する光学系を備え、上述した式（４）、又は、式（１０）及び式（１１）を満たすように構成されていることから、デフォーカスすることなく良好なビームスポットを得ることを可能とするとともに、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大することを可能とし、構成を容易にすることを可能とする。

また、本発明を適用した光ピックアップ３Ａは、少なくとも波長４００〜４１５ｎｍの光ビームを出射する光源３１と、開口数が０．６以上とされ、光源３１から出射された光ビームを光ディスクの信号記録面上に集光する結像光学系として対物レンズ３２とを有する光学系を備え、光学系の色収差が０．２９〜１．０μｍ／ｎｍを満たすように構成されていることから、デフォーカスすることなく良好なビームスポットを得ることを可能とするとともに、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大することを可能とし、構成を容易にすることを可能とする。

以下に、本発明を適用した光ピックアップを構成する対物レンズ３２について、図６及び表１に数値データを挙げて、更に具体的に説明する。

「表１」は、対物レンズ３２の実施例１〜４までの各実施例「屈折率」、「色収差」、「サグ角度（ＳＡ）」、「焦点距離（ｆ）」、「口径（ＡＰ）」及び「ワーキングディスタンス（ＷＤ）」の設計条件を示す各係数である。

また、図６中、ＳＡは、サグ角度、すなわち、入射側の面である第１面ｆ１の最も外側の光線が入射する位置の面の角度（ｄｅｇ）を示し、ＡＰは、対物レンズの口径（ｍｍ）を示し、ＷＤは、ワーキングディスタンス、すなわち、対物レンズの出射側の面である第２面ｆ２と光ディスク２の入射側の表面との最も近接した位置での距離（ｍｍ）を示す。

ここで、レンズの色収差は、薄肉レンズ近似では、焦点距離ｆをアッベ数ｖで割った値（ｆ／ｖ）で与えられ、これをある値に設定する自由度は、すなわち焦点距離の値と材料（ここでは硝材）の選定としかない。以下の、実施例１，２，３，４に本発明の光ピックアップを構成する対物レンズの設計例と、比較例１に本発明と比較するための比較例の対物レンズの設計例とを挙げる。

実施例１は、硝子モールド成型できる硝材で最も色分散の小さいものを用い、口径３ｍｍ（焦点距離１．７６ｍｍ）とすると、色収差が０．２９μｍ／ｎｍとなり、式（４）の下限値となっている。すなわち、本発明で規定した範囲よりも小さい色収差のレンズを設計するには、硝材にほとんど選択肢がなく、また、口径も３ｍｍより小さいものしか許容されない。光ディスクと対物レンズとの距離を示すワーキングディスタンスは、衝突の危険性を低減するため、ある程度の距離が必要であるが、ここでは、０．４７ｍｍであることから十分であるといえる。

実施例２，３は、口径が実施例１と同様に３ｍｍとされ、硝材を変更した点で実施例１と異なる。実施例１，２，３は、順番に屈折率が高くなっており、当然に、色分散の大きい硝材となっているため、色収差が大きくされている。その反面で、入射側の面である第１面ｆ１の最も外側の光線が入射する位置の面の角度（表中においては、「サグ角度」という。）が小さくなっており、金型の加工及び硝子モールドがともに容易になっている。

実施例４は、硝材を実施例３と同じものを使用し、口径を４ｍｍとしている。使用波長の異なる光ディスクとして、例えば、使用波長６５５ｎｍ程度のＤＶＤと使用波長７８０ｎｍ程度のＣＤと同一の対物レンズで再生するためには、大きなワーキングディスタンスが必要であり、４ｍｍ程度の口径が必要とされている。この場合の色収差は０．６３程度となっている。

比較例１は、本発明と比較するための比較例であり、硝材を実施例３，４と同じものを使用し、色収差を０．２９以下に設定するためのものであり、口径が１．７ｍｍ程度に小さくする必要があり、ワーキングディスタンスが０．２３ｍｍ程度となってしまうため、実用困難である。

このように、硝材の選択性、口径の自由度を考えたとき、色収差は０．２９〜０．６３程度が現実的であり、よって、本発明を適用した光ピックアップは、デフォーカスすることなく良好なビームスポットを得ることを可能とするとともに、結像光学系を構成する材料の選択の幅を拡大し、設計条件の選択性を拡大することを可能とし、構成を容易にすることを可能とする。

本発明を適用した光ディスク装置の構成を示すブロック回路図である。 本発明を適用した光ピックアップの光学系の例を示す光路図である。 本発明を適用した光ピックアップを構成する光源から出射される光ビームの光強度分布及びこの光強度分布の全エネルギーの５０％を含むスペクトラム幅Ｗを示す図である。 本発明を適用した光ピックアップを構成する光源から出射される光ビームの光強度分布を示す図であり、再生状態の光強度分布と、再生状態から記録状態に切り替えた遷移状態の光強度分布を示す図である。 本発明を適用した光ピックアップのデフォーカスを与えたときのシンボルエラーレートの実験例を示す図である。 実施例の対物レンズを示す図である。

符号の説明

１ 光ディスク装置、 ２ 光ディスク、 ３ 光ピックアップ、 ３１ 光源、 ３２ 対物レンズ、 ３３ ビームスプリッタ、 ３４ 光検出器、 ３５ コリメータレンズ、 ３６ マルチレンズ

Claims (2)

1. 少なくとも波長４００〜４１５ｎｍの光ビームを出射する光源から、該光ビームを光ディスクの信号記録面上に集光する開口数が０．６以上の結像光学系までを含む光学系を備え、光ディスクに対して情報の再生を行う光ピックアップを設計する光ピックアップの設計方法において、
   上記光源から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅をＷ（ｎｍ）とし、上記光学系の色収差をＣ（μｍ／ｎｍ）とし、上記光源から出射される光ビームの波長をＬ（μｍ）とし、上記結像光学系の開口数をＮＡとし、上記光学系の色収差が０．２９〜０．６３（μｍ／ｎｍ）のとき、式（１）を満たすように設計する光ピックアップの設計方法。
   ０．１５＜（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（１）
2. 少なくとも波長４００〜４１５ｎｍの光ビームを出射する光源から、該光ビームを光ディスクの信号記録面上に集光する開口数が０．６以上の結像光学系までを含む光学系を備え、光ディスクに対して情報の再生及び記録を行う光ピックアップにおいて、
   上記光源から出射される光ビームのエネルギーの５０％を含むスペクトラム幅をＷ（ｎｍ）とし、再生時と記録時との上記光源から出射される光ビームの波長の差をＪ（ｎｍ）とし、上記光学系の色収差をＣ（μｍ／ｎｍ）とし、上記光源から出射される光ビームの波長をＬ（μｍ）とし、上記結像光学系の開口数をＮＡとし、上記光学系の色収差が０．２９〜０．６３（μｍ／ｎｍ）のとき、式（２）及び式（３）を満たす光ピックアップ。
   ０．１５＜（Ｗ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（２）
   ０．１５＜（Ｊ×Ｃ）／（Ｌ／ＮＡ^２）＜０．５ ・・・（３）

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