JP4981560B2 - 光ピックアップ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＣＤやＤＶＤに加え、従来のＤＶＤより記録密度が高いＨＤ ＤＶＤ等の光ディスクを含む３種類の規格が異なる光ディスクに対して、共通の対物レンズを用いて情報を記録し、または、再生する光ピックアップ装置の改良に関する。
規格が異なる複数の光ディスクに対して共通の対物レンズを用いて情報を記録し、または、再生する光ピックアップ装置としては、例えば特許文献１〜３に記載されたものが知られている。特許文献１は、ＣＤ及びＤＶＤに対して共通の対物レンズを用い、温度変化による収差劣化を低減するため、光ディスクの種類に応じて対物レンズの倍率を変化させるようにした光学系を開示している。具体的には、ＤＶＤの使用時に対物レンズに対して収束光を入射させ、ＣＤの使用時にはほぼ平行な光束を入射させるようにしている。
また、特許文献２は、共通の対物レンズを用いてＣＤ、ＤＶＤの他、青色光を用いてＤＶＤをより高密度化した光ディスクの記録、または再生を行う装置において、ディスク厚誤差、波長変化や温度変化により生じる球面収差を屈折率分布可変素子により補正する技術を開示している。屈折率分布可変素子は、互いに対向する一対の透明電極との間に液晶層を配置し、同心円状に配置された透明電極の一部に電圧を印加することで液晶層の液晶分子の配向状態を電気的に制御し、液晶層内の屈折率分布を変化させることができるように構成されている。
さらに、特許文献３は、実施の形態１として、共通の光学系を用いてＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤ ＤＶＤの記録、再生が可能な光ピックアップを開示している。この光学系では、対物レンズに形成された階段状の輪帯構造により、ＤＶＤとＨＤ ＤＶＤとの使用時の波長の違いによる収差を補正し、ＣＤの使用時には位相補償板により対物レンズでは補正しきれない球面収差を補正するようにしている。位相補償板としては、特許文献２と同様の液晶収差補正素子が用いられている。
特開平９−３０６０２４号公報 図１ 特開２００４−７９１４６号公報 段落０３１２、０３１３ 特開２００６−１４７１２６号公報 図１、段落００３１〜００３４、００４７
しかしながら、特許文献１に記載された光ピックアップは、DVDとCDという2種類の光ディスクにのみ対応可能であり、ＨＤ ＤＶＤのようにDVDよりも記録密度の高い光ディスクも含めた3種類の光ディスクへの対応は想定されていない。
また、特許文献２には、ＨＤ ＤＶＤでの温度変化に対する球面収差補正用として液晶素子を用いることが記載されているが、開示されている実施例では、特にDVDの倍率の絶対値が大きいため、トラッキングによる収差劣化が大きくなり、情報の記録、再生に支障を来す可能性がある。
さらに、特許文献３に開示される光ピックアップは、CD、ＤＶＤ、ＨＤ ＤＶＤの何れのディスクの使用時にも対物レンズに対して平行光束を入射させるため、トラッキングによる収差劣化は生じないが、ＣＤ使用時に位相補償板が補正すべき収差量が大きいため、位相補償板に用いられる液晶素子の厚さを大きくしなければならず、かつ、対物レンズと位相補償板との相対位置精度が高く要求される。位相補償板は対物レンズと共にトラッキング機構により駆動されるため、液晶素子の厚さが大きいと機構にかかる負荷が大きくなり、高い相対位置精度を保つためには組み立て作業が困難となる。なお、特許文献３には、ＨＤ ＤＶＤやDVDの使用時における温度変化等の環境変化に起因する収差劣化の低減については記載されていない。
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、共通の対物レンズと液晶収差補正素子とを用いてＨＤ ＤＶＤ、DVD、CDの記録、再生が可能であり、トラッキングによる収差劣化が少なく、トラッキング機構にかかる負荷が小さく、かつ、組み立てが容易であり、環境変化に起因する収差劣化をも低減することができる光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる光ピックアップ装置は、上記の目的を達成させるため、保護層の厚さがt1で記録密度が最も高い第１の光ディスク、保護層の厚さがt2で記録密度が次に高い第２の光ディスク、及び、保護層の厚さがt3(ただし、t1≦t2<t3を満たす)で記録密度が最も低い第３の光ディスクを対象として情報を再生し、または、記録する装置において、第１の光ディスクの使用時に最も短い第１の波長の光を発する第１光源と、第２の光ディスクの使用時に次に短い第２の波長の光を発する第２光源と、第３の光ディスクの使用時に最も長い第３の波長の光を発する第３光源と、少なくとも一方の面に、同心状に分割され、境界部分の段差で入射光束に対して光路長差を与える複数の輪帯状の屈折面を備えた段差構造を有し、各光源からの光束を各光ディスク上に収束させる共通の対物レンズと、第１光源及び第２光源から発した光束を対物レンズに対して収束光として入射させ、第３光源から発した光束を対物レンズに対して発散光として入射させる複数のカップリングレンズと、各カップリングレンズと対物レンズとの間の共通光路に配置され、同心状に区分された複数の領域を持ち、各領域ごとに光束に所定の光路長差を与えて収差を補正する液晶収差補正素子とを備えている。
第１の光ディスクの使用時に必要な開口数をNA1、第２の光ディスクの使用時に必要な
開口数をNA2、第３の光ディスクの使用時に必要な開口数をNA3として、
NA1＞NA3 かつNA2＞NA3
の関係を満たす。段差構造は、開口数NA3を確保するのに必要な第１領域において、各段
差に対して第１の波長の略2波長分の光路長差を付与するように形成されている。
さらに、段差構造は、第１領域の外側となる第２領域では、第１の波長の光束および第２の波長の光束をそれぞれ第１の光ディスクおよび第２の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ、第３の波長の光束の収束には寄与しないよう構成される。また、第２領域の段差構造は、各段差に第１の波長で略2波長分、または略−2波長分、もしくは略5波長分、
または略−5波長分の光路長差を与えるよう構成される。
さらに、第１の光ディスクの使用時における対物レンズの焦点距離をf1、結像倍率をM1、第２の光ディスクの使用時における対物レンズの焦点距離をf2、結像倍率をM2、第３の光ディスクの使用時における対物レンズの焦点距離をf3、結像倍率をM3として、以下の条件(1)〜(3)、
0.05＜f1×M1＜0.20・・・(1)
0.05＜f2×M2＜0.20・・・(2)
−0.23＜f3×M3＜−0.03・・・(3)
を満たすよう対物レンズが配置されている。
そして、段差構造の作用と、条件(1)〜(3)を満たす配置とにより、波長の違いと保護層の厚さの違いにより生じる球面収差を補正し、液晶収差補正素子を制御することにより環境変化により生じる球面収差を補正するようにしている。
具体的には、第１、第２の光ディスク保護層の厚さt1及びt2が約０．６ｍｍであり、第３の光ディスクの保護層の厚さt3が約１．２ｍｍである場合が想定できる。
さらに、以下の条件(4)、
−0.02＜f2×M2−f1×M1＜0.02・・・(4)
を満たすように対物レンズを配置することが望ましい。
また、液晶収差補正素子により付与される光路長差は、第１の波長で0.2λ以下であることが望ましい。
光ピックアップ装置は、各光束により光ディスク上に形成されるスポットを光ディスクのトラックに追随させるためのトラッキング機構を備える。対物レンズは、トラッキング機構に搭載され、液晶収差補正素子は、トラッキング機構外に配置されていることが望ましい。
第１の波長の光束が入射する場合の対物レンズの光源側のレンズ面での有効光束径が、第２の波長の光束が入射する場合の対物レンズの光源側のレンズ面での有効光束径より大きい場合、対物レンズに形成された段差構造は、第２領域の外側となる第３領域では、第１の波長の光束のみを収束させるよう構成されることが望ましい。この場合、第３領域の段差構造が第１の波長の光束に対して各段差に与える光路長差が、第２領域の段差構造が第１の波長の光束に対して各段差に与える光路長差とは異なることが望ましい。具体的には、第３領域の段差構造は、各段差に第１の波長の光束の略１波長分の光路長差を与えることが望ましい。
反対に、第２の波長の光束が入射する場合の対物レンズの光源側のレンズ面での有効光束径が、第１の波長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、対物レンズに形成された段差構造は、第２領域の外側となる第３領域では、第２の波長の光束のみを収束させるよう構成されることが望ましい。この場合、第３領域の段差構造が第２の波長の光束に対して各段差に与える光路長差が、第２領域の段差構造が第２の波長の光束に対して各段差毎に与える光路長差とは異なることが望ましい。具体的には、第３領域の段差構造は、各段差において第２の波長の光束で略１波長分の光路長差を与えることが望ましい。
さらに、第１の波長をλ1、第３の波長をλ3、第１の波長λ1に対する対物レンズの屈折率をn1、第３の波長λ3に対する対物レンズの屈折率をn3として、以下の条件(5)、
λ1／（n1−1）：λ3／（n3−1）≒1：2・・・(5)
を満たすことが望ましい。
本発明によれば、段差構造が第１領域において各段差毎に第１の波長で略2波長分の光路長差を付与するよう設定することにより、利用する回折次数を第１の波長の光束については２次、第２，第３の波長の光束については１次となり、いずれの光ディスクに対しても高い効率で光源からの光束を利用することができる。また、第１，第２の光ディスクに対して収束光を入射させることにより、温度変化時に生じる球面収差を小さく抑えることができる。さらに、条件(1)〜(3)を満たすことにより、光学系の倍率を光ディスクの種類に応じて適切に設定することができ、全ての種類の光ディスクに対して球面収差を良好に補正することができる。なお、液晶補正素子は、温度変化等の環境変化に起因する球面収差を低減するために用いられるため、この素子が負担する収差補正量は小さく、液晶素子を薄型化できると共に、対物レンズと液晶素子との相対位置精度も高くは要求されない。したがって、液晶素子をトラッキング機構内に設けたとしても、トラッキング機構にかかる負荷は小さく、トラッキング機構外に設けることもできる。また、組み立ても容易となる。
以下、本発明にかかる光ピックアップ装置の実施形態を説明する。実施形態の光ピックアップ装置は、保護層の厚さt1が約０．６ｍｍで記録密度が最も高い第１の光ディスク(ＨＤ ＤＶＤ)、保護層の厚さt2が約０．６ｍｍで記録密度が次に高い第２の光ディスク(ＤＶＤ)、及び、保護層の厚さt3が１．２ｍｍで記録密度が最も低い第３の光ディスク(ＣＤ)を対象として情報を再生し、または、記録する装置である。以下、３つの実施例について説明する。
図１は、実施例１にかかる光ピックアップ装置の光学系を示す説明図であり、図２は、図１に含まれる３つの光学系を単独で展開して示したものである。図２(Ａ)はＨＤ ＤＶＤ用の光学系、(Ｂ)はＤＶＤ用の光学系、(Ｃ)はＣＤ用の光学系を示す。これらの図に示されるように、実施例１の光ピックアップ装置１００は、ＨＤ ＤＶＤの使用時に最も短い第１の波長(４０５ｎｍ)の光を発する第１光源１Ａと、ＤＶＤの使用時に次に短い第２の波長(６６０ｎｍ)の光を発する第２光源１Ｂと、ＣＤの使用時に最も長い第３の波長(７９０ｎｍ)の光を発する第３光源１Ｃとの３つのレーザー光源を備えている。
ＨＤ ＤＶＤの使用時には、第１光源１Ａから発した発散光であるレーザー光は、トラッキングサーボに利用するためのサブビームを形成するための回折格子２Ａを介して、ハーフミラー５Ａで反射され、第１カップリングレンズ３Ａにより収束光に変換され、第１、第２ビームスプリッタ４１、４２を介して液晶収差補正素子２０を透過し、対物レンズ１０によりＨＤ ＤＶＤの記録面上にスポットを形成する。そして、ＨＤ ＤＶＤからの反射光は、往路と同一の光路を辿り、ハーフミラー５Ａを透過して検出器６Ａに入射する。検出器６Ａは、複数の受光エリアを有する公知の素子であり、再生信号、トラッキングエラー信号、フォーカシングエラー信号を生成する。
ＤＶＤの使用時には、第２光源１Ｂから発したレーザー光は、回折格子２Ｂを介してハーフミラー５Ｂで反射され、第２カップリングレンズ３Ｂにより収束光に変換され、第１ビームスプリッタ４１で反射され、第２ビームスプリッタ４２を介して液晶収差補正素子２０を透過し、対物レンズ１０によりＤＶＤの記録面上にスポットを形成する。そして、ＤＶＤからの反射光は、往路と同一の光路を辿り、ハーフミラー５Ｂを透過して検出器６Ｂに入射する。
ＣＤの使用時には、第３光源１Ｃから発したレーザー光は、回折格子２Ｃを介してハーフミラー５Ｃで反射され、第３カップリングレンズ３Ｃにより弱い発散光に変換され、第２ビームスプリッタ４２で反射され、液晶収差補正素子２０を透過し、対物レンズ１０によりＣＤの記録面上にスポットを形成する。そして、ＣＤからの反射光は、往路と同一の光路を辿り、ハーフミラー５Ｃを透過して検出器６Ｃに入射する。
対物レンズ１０は、光源側のレンズ面１１と光ディスク側のレンズ面１２とが共に非球面である両凸の単レンズであり、３種類の光ディスクに対して共用される。対物レンズ１０の光源側のレンズ面１１には、同心状に分割され、境界部分の段差で入射光束に対して光路長差を与える複数の輪帯状の屈折面を備えた回折レンズ構造が形成されている。ここで、回折レンズ構造とは、波長と同程度の光路長差を持つ段差構造により回折作用を持たせている構造のことを称する。
光ピックアップ装置１００は、各光束により光ディスク上に形成されるスポットを光ディスクのトラックに追随させるための図示せぬトラッキング機構を備えている。対物レンズ１０は、トラッキング機構に搭載され、液晶収差補正素子２０は、トラッキング機構外に配置されている。
上記の光学系は、ＨＤ ＤＶＤの使用時に必要な開口数をNA1、第２の光ディスクの使用時に必要な開口数をNA2、第３の光ディスクの使用時に必要な開口数をNA3として、
NA1＞NA3 かつNA2＞NA3
の関係を満たす。具体的には、NA1=0.65、NA2=0.63、NA3=0.47である。
回折レンズ構造は、開口数NA3を確保するのに必要な第１領域と、これより外側の第２
領域とに区分されている。回折レンズ構造は、第１領域では、各段差において第１の波長で略2波長分の光路長差を付与するように形成されている。これにより、利用する回折次
数を第１の波長(405nm)の光束については２次、第２，第３の波長(660nm,790nm)の光束については１次となり、いずれの光ディスクに対しても高い効率で光源からの光束を利用することができる。波長４０５ｎｍの光束に対して１００％の回折効率が得られるように回折レンズ構造を１次〜６次の回折次数について設計した場合、他の２波長の回折効率は以下の表１の通りとなる。
上記の結果から、４０５ｎｍの光束に対して２次の回折光を利用すると、他の２波長でも、１次の回折光を利用した場合に回折効率が高いことがわかる。そこで、上記のように、第１領域の回折レンズ構造は、４０５ｎｍの光束に対して２次回折光を利用するように設計されている。
ただし、対物レンズの倍率がＨＤ ＤＶＤとDVDでほぼ同じ場合、波長405nmの回折次数を2次に選択すると、温度変化による収差発生量がより大きくなる。これは、回折面により付与されるパワーが、温度変化による収差発生量を大きくする作用を持つためである。そこで、実施例１の光ピックアップ装置１００では、回折効率を重視して４０５ｎｍの光束に対する回折次数を２次に設定し、温度変化により発生する球面収差を液晶収差補正素子２０により補正するようにしている。
液晶収差補正素子２０は、各カップリングレンズと対物レンズ１０との間の共通光路に配置され、同心円状に区分された複数の領域を持ち、各領域の屈折率分布を変化させることにより光束に所定の光路長差を与えて収差を補正する。図３は、液晶収差補正素子２０の平面図及び付与される光路長差の例を示すグラフである。液晶収差補正素子は、液晶層の両側を透明電極で挟み、さらにこれをガラス板で挟むことにより形成されている。透明電極は、例えば図３に示すような同心円状の輪帯状のパターンを備えており、各領域に印加する電圧を調整することにより、液晶層の液晶の配列を変化させ、屈折率の分布を形成する。これにより、波面に対して任意の光路長差を与えることができ、収差の補正に利用できる。
なお、液晶収差補正素子により付与される光路長差は、第１の波長で0.2λ以下であることが望ましい。液晶収差補正素子２０で付与される位相量を小さくすることにより、液晶収差補正素子２０を薄型化することができ、かつ、トラッキング機構により対物レンズ１０と液晶収差補正素子２０との相対位置がズレた際に生じるコマ収差を低減できる。
さらに、実施例１の光ピックアップ装置１００は、ＨＤ ＤＶＤの使用時における対物
レンズ１０の焦点距離をf1、結像倍率をM1、ＤＶＤの使用時における対物レンズ１０の焦点距離をf2、結像倍率をM2、ＣＤの使用時における対物レンズ１０の焦点距離をf3、結像倍率をM3として、以下の条件(1)〜(3)、
0.05＜f1×M1＜0.20・・・(1)
0.05＜f2×M2＜0.20・・・(2)
−0.23＜f3×M3＜−0.03・・・(3)
を満たすよう対物レンズ１０が配置されている。
そして、回折レンズ構造の作用と、条件(1)〜(3)を満たす配置とにより、波長の違いと保護層の厚さの違いにより生じる球面収差を補正し、液晶収差補正素子を制御することにより環境変化により生じる球面収差を補正するようにしている。
条件(1)、(2)の上限を超えると、ＨＤ ＤＶＤとDVDとにおいてトラッキング時の収差劣化が大きくなる。条件(1)、(2)の下限を下回ると、CDにおいてトラッキング時の収差劣化が大きくなる。条件(3)の上限を超えると、CD使用時において、オーバーな球面収差が残存する。条件(3)の下限を下回ると、アンダーな球面収差が発生する。
さらに、実施例１の光ピックアップ装置１００は、以下の条件(4)、
−0.02＜f2×M2−f1×M1＜0.02・・・(4)
を満たすように対物レンズ１０を配置している。
条件(4)を満たすことにより、光源の集積化など、ピックアップ光学系の小型化が可能になると共に、ＨＤ ＤＶＤとDVDとの光軸に対して光束が斜めに入射した際の相対的なコマ収差を小さくできる。
なお、実施例１では、第１、第２、第３の波長を、それぞれ４０５ｎｍ，６６０ｎｍ，７９０ｎｍに設定しているが、以下の条件(５)を満たせば、この組み合わせ以外であってもよい。
λ1／（n1−1）：λ3／（n3−1）≒1：2・・・(5)
ここで、λ1は第１の波長、λ3は第３の波長、n1は第１の波長λ1に対する対物レンズ
１０の屈折率、n3は第３の波長λ3に対する対物レンズの屈折率である。
次に、上述した実施例１の具体的な数値構成を、表２〜表１０に示す。表２は全体の仕様、表３〜表５は図２(Ａ)〜(Ｃ)に示した各光ディスク用の光学系の構成を示す。表中の記号Ｒは面の曲率半径(単位：ｍｍ)、Ｄは面間の光軸上の距離(単位：ｍｍ)、ｎは仕様波長における屈折率である。対物レンズ１０の光源側のレンズ面１１(面番号１１)は、ＣＤ用のNA0.47を確保するのに必要な第１領域と、それより外側の第２領域とに分割され、それぞれ設計が異なるため、領域毎に数値を記載している。
第１〜第３カップリングレンズ３Ａ〜３Ｃのディスク側のレンズ面(面番号４)、対物レンズ１０のレンズ面１１及びレンズ面１２は、いずれも回転対称非球面である。回転対称非球面は、光軸からの高さがhとなる非球面上の座標点の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κ、４次〜１２次の偶数次の非球面係数をA4, A6, A8, …として、以下の式(６)で表される。
Ｘ(h)=Ch2/(1+√(1-(1+κ)C2h2))+A4h４+A6h６+A8h８+… …(６)
実施例１の第１カップリングレンズ３Ａと対物レンズ１０の円錐係数κ、非球面係数A4〜A12は、表６に示される。第２カップリングレンズ３Ｂの係数は表７、第３カップリングレンズ３Ｃの係数は表８に示される。なお、表中の記号Eは１０の累乗を示し、例えば「1.1820E-04」は「1.1820×10-04」を意味する。
対物レンズ１０のレンズ面１１に形成された回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Ｐn、回折次数ｍ、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(Ｐ2ｈ2＋Ｐ4ｈ4＋Ｐ6ｈ6＋…）×ｍ×λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表すことができる。光路差関数φ(ｈ)は、回折面上での光軸からの高さｈの点において、回折レンズ構造により回折されなかった場合の仮想的な光線と、回折レンズ構造により回折された光線との光路差を示す。光路差関数係数の値を以下の表９に示す。なお、第２領域は、波長４０５ｎｍの光束及び波長６６０ｎｍの光束をそれぞれＨＤ ＤＶＤ及びＤＶＤの記録面上に収束させ、波長７９０ｎｍの光束に対しては収束に寄与しないよう構成されている。これにより、７９０ｎｍの光束に対して開口制限機能を持たせることができ、スポット径を所望の値に設定できる。また、第２領域の段差構造は、各段差に４０５ｎｍの光束で２波長分（あるいは−2波長分）の光路長差を与える段差構造と、５波長分（あるいは略−5波長分）の光路長差を与える段差構造とを合成した形状となっている。光路長差が異なる2種類の段差を有することで、波長４０５ｎｍの光束と波長６６０ｎｍの光束を、それぞれＨＤ DVD及びＤＶＤの記録面上に収束させるとともに、微小な波長変化時に生じる球面収差をコントロールすることができる。表９では、それぞれの形状を定義する２種類の光路差関数を規定している。
実施例１における回折レンズ構造の各領域における各波長の光束に対する回折次数と有効半径とを以下の表１０に示す。
なお、上記の各条件式(１)〜(５)に対する実施例１の値は、以下の表１１に示すとおりであり、いずれの条件も満たしている。
続いて、実施例１の光ピックアップ装置の各ディスク使用時の球面収差を図４に示す。図４(Ａ)，(Ｂ)，(Ｃ)は、それぞれＨＤ ＤＶＤ，ＤＶＤ，ＣＤ使用時の収差を示し、実線は各設計波長での球面収差、点線は波長が設計波長に対して＋５ｎｍシフトした際の球面収差を示す。
また、図５は、実施例１と比較例１との温度変化時(＋３０度の変化時)のＨＤ DVDでの波面収差を示すグラフであり、太線は実施例１において液晶収差補正素子２０に電圧を印加しない状態(補正効果がない状態)の値(０．０３９λrms)、細線は比較例１の値(０．０８１λrms)を示す。比較例１は、実施例１と同じ焦点距離、同じＮＡで、倍率を０に設定したものである。図５より、条件式（１）を満たすように倍率を正に設定することで、温度変化時の波面収差を小さくできる。さらに、図６は、実施例１において、液晶収差補正素子２０に図３に示したような光路長差を与えるように電圧を印加する前後の波面収差を示し、太線は印可前の値(０．０３９λrms)、細線は印加後の値(０．０１３λrms)を示す。液晶収差補正素子２０を用いることで、さらに温度変化時の波面収差を小さくできる。
次に、実施例２にかかる光ピックアップ装置について説明する。実施例２の光ピックアップ装置の基本的な光学系の配置は図１に示した実施例１と同様である。そこで、全体図は省略し、各波長の光学系を図７に示す。各光学部品の符号は実施例１と共通であるため、重複した説明は省略する。実施例２の具体的な数値構成を、表１２〜表２１に示す。表１２は全体の仕様、表１３〜表１５は図７(Ａ)〜(Ｃ)に示した各光ディスク用の光学系の構成を示す。対物レンズ１０の光源側のレンズ面１１(面番号１１)は、ＣＤ用のNA0.47を確保するのに必要な第１領域と、それより外側でＤＶＤ用のNA0.60を確保するのに必要な第２領域と、さらに、それより外側の第３領域に分割され、それぞれ設計が異なるため、領域毎に数値を記載している。
第１〜第３カップリングレンズ３Ａ〜３Ｃのディスク側のレンズ面(面番号４)、対物レンズ１０のレンズ面１１及びレンズ面１２は、いずれも回転対称非球面である。実施例２の第１カップリングレンズ３Ａと対物レンズ１０の円錐係数κ、非球面係数A4〜A12は、表１６に示される。第２カップリングレンズ３Ｂの係数は表１７、第３カップリングレンズ３Ｃの係数は表１８に示される。
対物レンズ１０のレンズ面１１に形成された回折レンズ構造を定義する光路差関数係数の値を以下の表１９に示す。なお、第２領域は、波長４０５ｎｍの光束及び波長６６０ｎｍの光束をそれぞれＨＤ ＤＶＤ及びＤＶＤの記録面上に収束させ、波長７９０ｎｍの光束に対しては収束に寄与しないよう構成されている。また、第２領域の回折レンズ構造は、各段差に４０５ｎｍの光束で２波長分の光路長差を与える回折レンズ構造と、５波長分の光路長差を与える回折レンズ構造とを合成した形状となっている。表１９では、それぞれの形状を定義する２種類の光路差関数を規定している。さらに、第３領域は、波長４０５ｎｍの光束のみを収束させるよう構成されており、第３領域の回折レンズ構造が波長４０５ｎｍの光束に対して各段差に与える光路長差が、第２領域の回折レンズ構造が波長４０５ｎｍの光束に対して各段差に与える光路長差とは異なる。具体的には、第３領域の回折レンズ構造は、各段差に波長４０５ｎｍの光束の１波長分の光路長差を与えるよう設計されている。
実施例２における回折レンズ構造の各領域における各波長の光束に対する回折次数と有効半径とを以下の表２０に示す。
なお、上記の各条件式(１)〜(５)に対する実施例２の値は、以下の表２１に示すとおりであり、いずれの条件も満たしている。
続いて、実施例２の光ピックアップ装置の各ディスク使用時の球面収差を図８に示す。図８(Ａ)，(Ｂ)，(Ｃ)は、それぞれＨＤ ＤＶＤ，ＤＶＤ，ＣＤ使用時の収差を示し、実線は各設計波長での球面収差、点線は波長が設計波長に対して＋５ｎｍシフトした際の球面収差を示す。
また、図９は、実施例２と比較例１との温度変化時(＋３０度の変化時)の波面収差を示すグラフであり、太線は実施例２において液晶収差補正素子２０に電圧を印加しない状態(補正効果がない状態)の値(０．０５８λrms)、細線は比較例１の値(０．０８１λrms)を示す。
次に、実施例３にかかる光ピックアップ装置について説明する。図１０は、実施例３にかかる光ピックアップ装置２００の光学系を示す説明図であり、図１１は、図１０に含まれる３つの光学系を単独で展開して示したものである。図１１(Ａ)はＨＤ ＤＶＤ用の光学系、(Ｂ)はＤＶＤ用の光学系、(Ｃ)はＣＤ用の光学系を示す。
実施例３では、レーザー光源と検出器とを同一基板上に一体化したモジュールを用いることにより、実施例１及び２よりコンパクトに構成している。第１モジュール１Ｄは、ＨＤ ＤＶＤ用の波長４０５ｎｍの光束を発するレーザー素子と、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍの光束を発するレーザー素子と、検出器とを同一基板上に一体化したものである。各レーザー素子から発した光束は、回折格子２Ｄを介して第１カップリングレンズ３Ｄにより収束光とされ、ビームスプリッタ４３を透過し、液晶収差補正素子２０を介して対物レンズ１０Ａに入射し、これにより収束されてＨＤ ＤＶＤ、またはＤＶＤの記録面上にスポットを形成する。記録面からの反射光は、往路と同一の光路を辿り、回折格子２Ｄにより偏向されて第１モジュール１Ｄ上の検出器に入射する。
第２モジュール１Ｅは、ＣＤ用の波長７９０ｎｍの光束を発するレーザー素子と、検出器とを同一基板上に一体化したものである。レーザー素子から発した波長７９０ｎｍの光束は、回折格子２Ｅを介して第２カップリングレンズ３Ｅにより弱い発散光とされ、ビームスプリッタ４３により反射され、液晶収差補正素子２０を介して対物レンズ１０Ａに入射し、これにより収束されてＣＤの記録面上にスポットを形成する。記録面からの反射光は、往路と同一の光路を辿り、回折格子２Ｅにより偏向されて第２モジュール１Ｅ上の検出器に入射する。
実施例３の具体的な数値構成を、表２２〜表３１に示す。表２２は全体の仕様、表２３〜表２５は図１１(Ａ)〜(Ｃ)に示した各光ディスク用の光学系の構成を示す。対物レンズ１０Ａの光源側のレンズ面１１(面番号１１)は、ＣＤ用のNA0.47を確保するのに必要な第１領域と、それより外側でＨＤ ＤＶＤ用のNA０．６５を確保するのに必要な第２領域と、さらに、それより外側の第３領域に分割され、それぞれ設計が異なるため、領域毎に数値を記載している。
第１、第２カップリングレンズ３Ｄ，３Ｅのディスク側のレンズ面(面番号４)、対物レンズ１０Ａのレンズ面１１及びレンズ面１２は、いずれも回転対称非球面である。実施例３の第１カップリングレンズ３Ｄと対物レンズ１０Ａの円錐係数κ、非球面係数A4〜A12は、表２６に示される。第２カップリングレンズ３Ｅの係数は表２７に示される。
対物レンズ１０Ａのレンズ面１１に形成された回折レンズ構造を定義する光路差関数係数の値を以下の表２８に示す。なお、第２領域は、波長４０５ｎｍの光束及び波長６６０ｎｍの光束をそれぞれＨＤ ＤＶＤ及びＤＶＤの記録面上に収束させ、波長７９０ｎｍの光束に対しては収束に寄与しないよう構成されている。また、第２領域の回折レンズ構造は、各段差に４０５ｎｍの光束で２波長分の光路長差を与える回折レンズ構造と、５波長分の光路長差を与える回折レンズ構造とを合成した形状となっている。表２８では、それぞれの形状を定義する２種類の光路差関数を規定している。さらに、第３領域は、波長６６０ｎｍの光束のみを収束させるよう構成されており、第３領域の回折レンズ構造が波長６６０ｎｍの光束に対して各段差に与える光路長差が、第２領域の回折レンズ構造が波長６６０ｎｍの光束に対して各段差に与える光路長差とは異なる。具体的には、第３領域の回折レンズ構造は、各段差毎に波長６６０ｎｍの光束の１波長分の光路長差を与えるよう設計されている。
実施例３における回折レンズ構造の各領域における各波長の光束に対する回折次数と有効半径とを以下の表２９に示す。
なお、上記の各条件式(１)〜(５)に対する実施例３の値は、以下の表３０に示すとおりであり、いずれの条件も満たしている。
続いて、実施例３の光ピックアップ装置の各ディスク使用時の球面収差を図１２に示す。図１２(Ａ)，(Ｂ)，(Ｃ)は、それぞれＨＤ ＤＶＤ，ＤＶＤ，ＣＤ使用時の収差を示し、実線は各設計波長での球面収差(縦軸とほぼ重複している)、点線は波長が設計波長に対して＋５ｎｍシフトした際の球面収差を示す。
また、図１３は、実施例３と比較例２との温度変化時(＋３０度の変化時)の波面収差を示すグラフであり、太線は実施例３において液晶収差補正素子２０に電圧を印加しない状態(補正効果がない状態)の値(０．０１６λrms)、細線は比較例２の値(０．０５４λrms)を示す。比較例２は、実施例３と同じ焦点距離、同じＮＡで、倍率を０に設定したものである。図１３より、条件式（１）を満たすように倍率を正に設定することで、温度変化時の波面収差を小さくできる。
上記のように、いずれの実施例も各条件式(１)〜(５)を満たしており、温度変化時に生じる球面収差を小さく抑えることができる。また、液晶収差補正素子が負担すべき収差量が小さいため、液晶素子の薄型化が可能であり、かつ、対物レンズとの相対位置精度も高く要求されないため、液晶収差補正素子をトラッキング機構外に設け、トラッキング機構の応答性を高く維持することができる。
本発明の実施例１に係る光ピックアップ装置の光学素子の配置を示す説明図である。 実施例１の光学系を利用される光ディスク毎に独立して展開した説明図である。 実施例１の光学系に含まれる液晶収差補正素子の構成及び作用を示す説明図である。 実施例１の光学系の球面収差を示すグラフである。 実施例１の光学系と比較例１の光学系との波面収差を比較して示すグラフである。 実施例１の光学系の液晶収差補正素子による補正前後の波面収差を比較して示すグラフである。 本発明の実施例２に係る光ピックアップ装置の光学系を利用される光ディスク毎に独立して展開した説明図である。 実施例２の光学系の球面収差を示すグラフである。 実施例２の光学系と比較例１の光学系との波面収差を比較して示すグラフである。 本発明の実施例３に係る光ピックアップ装置の光学素子の配置を示す説明図である。 実施例３の光学系を利用される光ディスク毎に独立して展開した説明図である。 実施例３の光学系の球面収差を示すグラフである。 実施例３の光学系と比較例２の光学系との波面収差を比較して示すグラフである。
符号の説明
１００、２００ 光ピックアップ装置
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 光源
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 回折格子
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ カップリングレンズ
１０ 対物レンズ
ＨＤ ＤＶＤ，ＤＶＤ，ＣＤ 光ディスク

Claims (10)

  1. 保護層の厚さがt1で記録密度が最も高い第１の光ディスク、保護層の厚さがt2で記録密度が次に高い第２の光ディスク、及び、保護層の厚さがt3(ただし、t1≦t2<t3を満たす)
    で記録密度が最も低い第３の光ディスクを対象として情報を再生し、または、記録する光ピックアップ装置において、
    前記第１の光ディスクの使用時に最も短い第１の波長の光を発する第１光源と、
    前記第２の光ディスクの使用時に次に短い第２の波長の光を発する第２光源と、
    前記第３の光ディスクの使用時に最も長い第３の波長の光を発する第３光源と、
    少なくとも一方の面に、同心状に分割され、境界部分の段差で入射光束に対して光路長差を与える複数の輪帯状の屈折面を備えた段差構造を有し、前記各光源からの光束を各光ディスク上に収束させる共通の対物レンズと、
    前記第１光源及び第２光源から発した光束を前記対物レンズに対して収束光として入射させ、前記第３光源から発した光束を前記対物レンズに対して発散光として入射させる複数のカップリングレンズと、
    前記各カップリングレンズと前記対物レンズとの間の共通光路に配置され、同心状に区分された複数の領域を持ち、各領域ごとに光束に所定の光路長差を与えて収差を補正する液晶収差補正素子とを備え、
    前記第１の光ディスクの使用時に必要な開口数をNA1、前記第２の光ディスクの使用時
    に必要な開口数をNA2、前記第３の光ディスクの使用時に必要な開口数をNA3として、
    NA1＞NA3 かつNA2＞NA3
    の関係を満たし、
    前記段差構造は、前記開口数NA3を確保するのに必要な第１領域において、各段差にお
    いて前記第１の波長で略2波長分の光路長差を付与するように形成され、
    前記段差構造は、さらに、前記第１領域の外側となる第２領域では、前記第１の波長の光束および前記第２の波長の光束をそれぞれ前記第１の光ディスクおよび前記第２の光ディスクの記録面上に収束させ、かつ、前記第３の波長の光束の収束には寄与しないよう構成され、
    前記第２領域の段差構造は、各段差において前記第１の波長で略2波長分もしくは略−2波長分、もしくは略5波長分もしくは略−5波長分の光路長差を与え、
    前記第１の光ディスクの使用時における前記対物レンズの焦点距離をf1、結像倍率をM1、前記第２の光ディスクの使用時における前記対物レンズの焦点距離をf2、結像倍率をM2、前記第３の光ディスクの使用時における前記対物レンズの焦点距離をf3、結像倍率をM3として、以下の条件(1)〜(3)、
    0.05＜f1×M1＜0.20・・・(1)
    0.05＜f2×M2＜0.20・・・(2)
    −0.23＜f3×M3＜−0.03・・・(3)
    を満たすよう前記対物レンズが配置され、
    前記段差構造の作用と、前記条件(1)〜(3)を満たす配置とにより、波長の違いと保護層の厚さの違いにより生じる球面収差を補正し、前記液晶収差補正素子を制御することにより環境変化により生じる球面収差を補正することを特徴とする光ピックアップ装置。
  2. 前記第１、第２の光ディスク保護層の厚さt1及びt2が約０．６ｍｍであり、前記第３の光ディスクの保護層の厚さt3が約１．２ｍｍであ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. さらに、以下の条件(4)、
    −0.02＜f2×M2−f1×M1＜0.02・・・(4)
    を満たすように前記対物レンズを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の光ピックアップ装置。
  4. 前記液晶収差補正素子により付与される光路長差は、前記第１の波長で0.2λ以下であ
    ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
  5. 前記各光束により前記光ディスク上に形成されるスポットを光ディスクのトラックに追随させるためのトラッキング機構を備え、前記対物レンズは、前記トラッキング機構に搭載され、前記液晶収差補正素子は、前記トラッキング機構外に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
  6. 前記第１の波長の光束が入射する場合の前記対物レンズの光源側のレンズ面での有効光束径が、前記第２の波長の光束が入射する場合の前記対物レンズの光源側のレンズ面での有効光束径より大きく、
    前記対物レンズに形成された段差構造は、前記第２領域の外側となる第３領域では、前記第１の波長の光束のみを収束させるよう構成され、
    前記第３領域の段差構造が前記第１の波長の光束に対して各段差において与える光路長差が、前記第２領域の段差構造が前記第１の波長の光束に対して各段差において与える光路長差とは異な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３領域の段差構造は、各段差に前記第１の波長の光束で略１波長分の光路長差を与えることを特徴とする請求項６に記載の光ピックアップ装置。
  8. 前記第２の波長の光束が入射する場合の前記対物レンズの光源側のレンズ面での有効光束径が、前記第１の波長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く、
    前記対物レンズに形成された段差構造は、前記第２領域の外側となる第３領域では、前記第２の波長の光束のみを収束させるよう構成され、
    前記第３領域の段差構造が前記第２の波長の光束に対して各段差において与える光路長差が、前記第２領域の段差構造が前記第２の波長の光束に対して各段差において与える光路長差とは異な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. 前記第３領域の段差構造は、各段差において前記第２の波長の光束の略１波長分の光路長差を与えることを特徴とする請求項８に記載の光ピックアップ装置。
  10. 前記第１の波長をλ1、前記第３の波長をλ3、前記第１の波長λ1に対する前記対物レ
    ンズの屈折率をn1、前記第３の波長λ3に対する前記対物レンズの屈折率をn3として、以
    下の条件(5)、
    λ1／（n1−1）：λ3／（n3−1）≒1：2・・・(5)
    を満たすことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光ピックアップ装置。
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