JP7108835B2

JP7108835B2 - 対物レンズ、光ヘッド装置、光情報装置、光ディスクシステム及び対物レンズの検査方法

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Publication number: JP7108835B2
Application number: JP2021516825A
Authority: JP
Inventors: 慶明金馬; 雄一高橋
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: JPWO2021199487A1; US20210311291A1

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・再生あるいは消去を行う光ヘッド装置及び光情報装置および、光情報装置における記録再生方法、そして、これらを応用した光ディスクシステムに関するもの、そしてまた、前記光ヘッド装置に用いる対物レンズに関するものである。

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（以降、ＮＡ）を大きくすることが検討されている。

インターネットの拡大により、世界で生み出され蓄積すべきデータは増大し続けている。それらのデータを長期間安全に、かつ、低消費電力で保存する媒体として光ディスクの重要性はますます高まっている。従って、光ディスクを大容量化しより多くの情報を光ディスクに蓄積可能とすることが必要である。そのため、対物レンズのＮＡをさらに高くすることが望まれる。高ＮＡの対物レンズを単レンズ構成で実現した例が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

そしてまた、光ディスク１枚あたりの情報容量を多くするため、記録層をより多く備えた多層ディスクも検討されている。

多層ディスクにおいて信号再生する記録層と隣接する記録層との間隔が薄いと、隣接記録層からの不要な反射光が信号光と大差ない光路を通って信号検出器に入射する。このため、反射率のより低い記録層を再生する際に不要光が相対的に強くなるなどの要因が重なると不要光が信号検出器上において再生信号と干渉を起こし、信号が乱れる場合がある。この課題を回避するためには、隣接記録層間の間隔のより広い多層ディスク構造が好ましい。ただし、記録層間隔を厚くするために最も奥の記録層と表面の厚みを厚くすると、ディスク傾きによる光の乱れ（収差）が大きくなり記録再生特性が劣化する。そこで、最も手前の層と表面の厚み（カバー層の厚み）を薄くすることが有効である。

光ディスクの記録層に対して光を回折限界にまで絞り、記録再生を行う対物レンズは、開口数が高いほど光を小さく絞ることができる。Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）では開口数は０．８５である。そして、さらに記録密度を高くするためには開口数を０．９以上にすることが好ましい。例えば開口数を０．９１にしたければ、開口数の精度を高めるために用いる開口制限（アパーチャ）と対物レンズの中心ズレの余裕を考慮して対物レンズそのものの開口数は０．９２程度以上にすることが望ましい。このような高い開口数の対物レンズを精度良く製造するためには略平行な光ビームを対物レンズに入射させてその対物レンズで絞り、その収束スポットが収差なく絞れているかを測定することが望ましい。

図９に示すように、光ディスク用の対物レンズ５６１は、光ディスク４０１の透明基材ｔ１～ｔ４を通して記録面（４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄ）上に光を絞る必要がある。略平行な光ビーム７０１入射時に３次の球面収差が最小になる基準基材厚みは１つの対物レンズに対し１種しか選べない。基準基材厚みと異なる基材厚に対しては３次球面収差を低減するために、光ピックアップの光学系では対物レンズに入射させる光の平行度を変化させて非平行にするが、その際高次の球面収差である５次球面収差が発生する。特許文献３には、略平行な光ビーム入射時に３次球面収差が最小になる基材厚をｔｃ、最も厚い基材厚をｔ０、最も薄い基材厚をｔｅとして、ｔｃ＞（ｔ０＋ｔｅ）／２となる対物レンズが開示されている。なお、図９ではｔ０＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４、ｔｅ＝ｔ１である。また、特許文献４には、略平行な光ビームが入射した時に、３次の球面収差が最小になる基準基材厚の決め方として、最も厚い基材厚に対して３次の球面収差を補正した際に発生する５次の球面収差の変位量の絶対値と、最も薄い基材厚に対して３次の球面収差補正した際に発生する５次の球面収差の変位量の絶対値とが同等となるようにする対物レンズが開示されている。そして、特許文献５には最も厚い基材厚の８５％～１１０％の厚みの基材厚に対して対物レンズに略平行な光ビームを入射させた際の球面収差が最小となる対物レンズが開示されている。このように、記録あるいは再生の対象とする光ディスクの基材厚の平均値程度の基材厚において対物レンズ入射光ビームを略平行な光ビームとしたときに３次の球面収差と５次の球面収差が同時に最小になるよう対物レンズを設計することによって収差の発生量を抑えている。

特開２００３－２７９８５１号公報特開２００８－２９３６３３号公報国際公開第２０１０／０４７０９３号国際公開第２００８／１４９５２２号国際公開第２０１１／０６５２７６号

上述のように最も手前の層と表面の厚み（カバー層の厚み）を薄くすることにより記録層間隔を広げることが多層ディスクにおいて有効である。従来の光ディスクとして、すでに市販されている多層光ディスクにはＢＤＸＬがある。ＢＤＸＬには３層と４層の２種類がある。３層ディスクの基材厚の標準は、最も薄い基材厚が５７μｍ、最も厚い基材厚が１００μｍである。４層ディスクの基材厚の標準は、最も薄い基材厚が５３．５μｍ、最も厚い基材厚が１００μｍである。最も薄い基材厚と最も厚い基材厚の平均値は、３層ディスクでは７８．５μｍ、４層ディスクでは７６．７５μｍなので、これらに対応する対物レンズは基準基材厚ｔａを７５～８０μｍの間に設計することになる。収差測定時には対物レンズによる収束光を厚みｔａの基材に通す必要がある。

一方、背景技術において述べたとおり、隣接記録層間の不要な反射光による信号品質低下回避には、記録層間隔を広げることが望ましい。我々は４層の記録面を持つ光ディスクでは例えば図１のような構造において、カバー層厚みを標準値４６μｍにして、記録層間隔の最も薄い標準値を１４μｍにする基材厚構造が望ましいと考えた。このアプローチは再生信号のノイズ／信号比の向上につながるので、特に記録密度を高くして光ディスクの容量を高める際に効果が高い。なお、図１において、光ディスク４０は、表面４０ｚに近い側から順に、第１情報記録面４０ａ、第２情報記録面４０ｂ、第３情報記録面４０ｃ、第４情報記録面４０ｄを有する。

光ディスク４０は、さらに、カバー層４２、第１中間層４３、第２中間層４４、第３中間層４５を有している。カバー層４２の厚みｔ１は、表面４０ｚから第１情報記録面４０ａまでの間の基材の厚みを表し、第１中間層４３の厚みｔ２は、第１情報記録面４０ａから第２情報記録面４０ｂまでの間の基材の厚みを表し、第２中間層４４の厚みｔ３は、第２情報記録面４０ｂから第３情報記録面４０ｃまでの間の基材の厚みを表し、第３中間層４５の厚みｔ４は、第３情報記録面４０ｃから第４情報記録面４０ｄまでの間の基材の厚みを表している。

また、表面４０ｚから第１情報記録面４０ａまでの距離をｄ１（≒ｔ１）、表面４０ｚから第２情報記録面４０ｂまでの距離をｄ２（≒ｔ１＋ｔ２）、表面４０ｚから第３情報記録面４０ｃまでの距離をｄ３（≒ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）、表面４０ｚから第４情報記録面４０ｄまでの距離をｄ４（≒ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４）とする。これらを基材厚と呼ぶ。

図１ではＬ０とＬ３の基材厚の平均値が７３μｍである、この４層ディスクに対応する対物レンズは、先に挙げた特許文献３から５に挙げた先行技術に従えば、基準基材厚ｔｂを７０～７５μｍの間に設計することになる。このディスクに対応する対物レンズの収差測定時には対物レンズによる収束光を厚みｔｂの基材に通す必要がある。

一方左記に述べたように、市販されているＢＤＸＬでは３層ディスクのＬ０とＬ２の平均基材厚が７８．５μｍ、４層では７６．７５μｍなので、これらに対応する対物レンズは基準基材厚ｔａを７５～８０μｍの間に設計することになる。収差測定時には対物レンズによる収束光を厚みｔａの基材に通す必要がある。この従来型対物レンズをより薄い基材厚の光ディスクに適用した場合は５次以上の球面収差が大きくなりすぎるという課題が発生する。図１０は約８０μｍの基材厚に最適設計した従来型対物レンズの特性図である。対物レンズに略平行な光ビームを入射させ、約８０μｍの基材厚を通したときに球面収差が最小になる。図１０において横軸は基材厚、縦軸は収差である。横軸が約８０μｍと異なる場合は対物レンズに入射させる光ビームの平行度を変化させて主に３次の球面収差を低減している。しかし横軸が約８０μｍと異なる場合は高次の球面収差が残存し、特に基材厚の薄い側の残存収差が顕著に増大するという課題がある。基材厚４６μｍでは、１５ｍλ（λは波長、値はｒｍｓ値）の収差が残存している。これだけで記録再生性能が得られなくなるほどの大きな量ではないが、製造誤差や入射光の平行度調整誤差などのマージンが減ってしまう。基材厚の厚い側１００μｍでは１０ｍλしか収差が残存していないことを鑑みるとバランスが悪い状態と言わざるを得ない。従って、従来型の対物レンズをそのままカバー層を、例えば４６μｍにまで、薄くした光ディスクに転用することは望ましくない。

このように従来のＢＤＸＬに対応する対物レンズに略平行な光ビームを入射させて収差を測定する基準基材厚ｔａと新規４層ディスクに対応する対物レンズに略平行な光ビームを入射させて収差を測定する基準基材厚ｔｂが異なると、それぞれの対物レンズの収差測定のためには、異なる厚み基材を通して収差測定しなければならない。すると、夫々の対物レンズの検査のために基材の交換作業が生じる。基材の傾きはコマ収差を発生させるので、光軸に垂直になるよう正確に調整する必要がある。その公差は０．０５°以下望ましくは０．０１°の公差で調整が必要である。このように高精度の傾き調整が必要なので、基材の入れ替えは測定の工程において時間的に大きな負担となるという課題が生じる。

本発明では上述の課題を解決するため、以下のような対物レンズ、光ヘッド装置、光情報装置、光ディスクシステムを構成する。また、以下の測定方法によって対物レンズを検査する。

（１）単レンズ構成の対物レンズであって、開口数（ＮＡ）は０．８５以上であり、前記対物レンズに略平行な光ビームを入射させたときに３次の球面収差が最小になる基材厚ｔｈと、前記対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際に全収差が最小になる基材厚ｔｍが異なることを特徴とする対物レンズ。

（２）
（１）に記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは前記基材厚ｔｍより厚いことを特徴とする対物レンズ。

（３）
（２）に記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは７５μｍより厚く、前記基材厚ｔｍは７５μｍより薄いことを特徴とする対物レンズ。

（４）
単レンズ構成の対物レンズであって、開口数（ＮＡ）は０．８５以上であり、前記対物レンズに略平行な光ビームを入射させたときに３次の球面収差が最小になる基材厚ｔｈと、前記対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際の５次の球面収差が最小になる基材厚ｔｍ５が異なることを特徴とする対物レンズ。

（５）
（４）に記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは前記基材厚ｔｍ５より厚いことを特徴とする対物レンズ。

（６）
（５）に記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは７５μｍより厚く、前記基材厚ｔｍ５は７５μｍより薄いことを特徴とする対物レンズ。

（７）
（１）～（６）に記載のいずれかの対物レンズであって、
前記開口数（ＮＡ）は０．９以上であることを特徴とする対物レンズ。

（８）
光ビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射される光ビームを受けて光ディスクの記録面上へ微小スポットに集光する（１）～（７）に記載のいずれかの対物レンズと、前記光ディスク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を形成した光検出器とを具備することを特徴とする光ヘッド装置。

（９）
（８）に記載の光ヘッド装置と、
光ディスクを回転するモータと、前記光ヘッド装置から得られる信号を受け、前記モータや前記対物レンズや前記レーザ光源を制御および駆動する電器回路を具備する光情報装置。

（１０）
光ヘッド装置と、
光ディスクを回転するモータと、前記光ヘッド装置から得られる信号を受け、前記モータや前記対物レンズや前記レーザ光源を制御および駆動する電器回路を具備する光情報装置であって、
前記光ヘッド装置は、
第１の光源と、前記第１の光源から出射される光ビームを受けて基材厚ｔ１の基材を通して光ディスクの記録面上へ微小スポットに集光する請求項１～７記載のいずれかの対物レンズと、前記光ディスク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を形成した光検出器と、前記対物レンズを光軸方向に駆動して前記微小スポットを前記光ディスクの記録面上へ焦点あわせするアクチュエータを具備し、
前記光検出器から、焦点誤差信号を検出するための電気信号を検出し、
前記アクチュエータによって前記対物レンズを光軸方向に駆動することによって、前記微小スポットを前記光ディスクの記録面上へ焦点あわせすることを特徴とする光情報装置。

（１１）
（９）または（１０）に記載のいずれかの光情報装置と、
情報を入力するための入力装置あるいは入力端子と、
前記入力装置あるいは入力端子から入力された情報や前記光情報装置から再生された情報に基づいて演算を行う演算装置と、
前記入力装置あるいは入力端子から入力された情報や前記光情報装置から再生された情報や、前記演算装置によって演算された結果を表示あるいは出力するための出力装置あるいは出力端子を備えた光ディスクシステム。

（１２）
（９）または（１０）に記載のいずれかの光情報装置と、
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情報から画像へのデコーダーを有する光ディスクシステム。

（１３）
（９）または（１０）に記載のいずれかの光情報装置と、
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画像から情報へのエンコーダーを有する光ディスクシステム。

（１４）
（９）または（１０）に記載のいずれかの光情報装置と、
外部との情報のやりとりを行う入出力端子を備えた光ディスクシステム。

（１５）
略平行な光ビームを対物レンズに入射させ一定の基材厚を通したときの収差を測定し、全収差と基準値、あるいは、５次球面収差と基準値の差分がある一定範囲であることを良品の条件とすることを特徴とする対物レンズの検査方法。

（１６）
（１）～（７）に記載のいずれかの対物レンズの検査方法であって、略平行な光ビームを前記対物レンズに入射させ一定の基材厚を通したときの収差を測定し、全収差と基準値、あるいは、５次球面収差と基準値の差分がある一定範囲であることを良品の条件とすることを特徴とする対物レンズの検査方法。

本発明の実施形態にかかる対物レンズは、高密度かつ多層の記録層を有して大容量の光ディスクに記録再生できると共に、従来の対物レンズとの検査工程の共用化が可能で安価に製造可能である。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光ディスクの概略構成を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る対物レンズの構成図である。図３は、実施例１の対物レンズの波面収差を示す図である。図４は、実施例２の対物レンズの波面収差を示す図である。図５は、本発明の実施の形態２に係る光ヘッド装置を示す構成図である。図６は、本発明の実施の形態３に係る光情報装置を示す構成図である。図７は、本発明の実施の形態４に係る光ディスクシステムを示す構成図である。図８は、本発明の実施の形態５に係る光ディスクシステムを示す構成図である。図９は、従来の光ディスクの概略構成を示す図である。図１０は、従来の対物レンズの波面収差を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１に係る対物レンズ１００の構成図である。図２において、対物レンズ１００は、入射光線を受ける面である第一面１０２と、その第一面１０２に対向する面である第二面１０３を有する。光ディスク１０１は、基板１０４、基材１０５、基板１０４と基材１０５に挟まれた情報記録面１０６を有する。光ビーム１０７は、対物レンズ１００の第一面１０２に入射し、第二面１０３を通り、光ディスク１０１の情報記録面１０６に収束される。ここで、光ビーム１０７が情報記録面１０６に収束されている状態での第二面１０３と光ディスク１０１の基材１０５の表面（図２の下側面）との距離をワーキングディスタンス（以降、Ｗｄ）と呼ぶ。また、対物レンズ１００の第一面１０２と第二面１０３の光軸における間隔をｄＬとする。

本発明の具体的な実施の形態について、実施例を用いてさらに詳細に説明する。各実施例において、以下に示す符号を共通とする。また、設計波長λを４０５ｎｍ、対物レンズ屈折率は１．６２３９１８を中心とした。
ｆ：対物レンズの焦点距離
ＮＡ：対物レンズのＮＡ
Ｒ１：対物レンズの第１面の曲率半径
Ｒ２：対物レンズの第２面の曲率半径
ｄ：対物レンズのレンズ厚み
ｎ：対物レンズの屈折率
Ｗｄ：対物レンズの第２面から光ディスクまでの距離
なお、ＮＡと屈折率は無単位であり、他の単位はｍｍである。
また、非球面形状は、以下の（数１）で与えられる。

ただし各符号の意味は以下の通りである。
Ｘ：光軸からの高さがｈの非球面上の点の非球面頂点の接平面からの距離
ｈ：光軸からの高さ（図２では横方向の距離）
Ｃｊ：対物レンズの第ｊ面の非球面頂点の曲率（Ｃｊ＝１／Ｒｊ）
Ｋｊ：対物レンズの第ｊ面の円錐定数
Ａｊ，ｎ：対物レンズの第ｊ面のｎ次の非球面係数ただしｊ＝１，２
（実施例１）
本実施例は図１において標準値が、ｔ１＝４６（μｍ）、ｔ２＝１４（μｍ）、ｔ３＝２２（μｍ）、ｔ４＝１８（μｍ）の４層光ディスクに対応する対物レンズである。基材厚（ｄ１からｄ４）の標準値は４６μｍから１００μｍなので、その平均値は７３μｍである。

実施例１の対物レンズの具体的数値を以下に示す。実施例１は、硝材の屈折率ｎ＝１．６２３９１７９２８６、焦点距離ｆ＝１．３１０、開口数ＮＡ＝０．９２、作動距離Ｗｄ＝０．２６０３の単レンズを設計した例である。
ｆ＝１．３１０
ＮＡ＝０．９２
Ｒ１＝０．９４９１４６４８
Ｒ２＝－１．３９０４８６４
ｄ＝１．８８６４５６２
ｎ＝１．６２３９１７９２８６
Ｗｄ＝０．２６０３
Ｋ１＝－０．６１２３５４６７
Ａ１,４＝０．０３２５５９０７７
Ａ１,６＝－０５５９１６５９３
Ａ１,８＝０．２９３３６８３６
Ａ１,１０＝－０．５７７９２１４６
Ａ１,１２＝０．３９２４８９８０
Ａ１,１４＝０．４７９８７２２６
Ａ１,１６＝－０．９４５２６８１９
Ａ１,１８＝０．３９２７２８２４
Ａ１,２０＝－０．０３４７４９１１２
Ａ１,２２＝０．３５６６０３９９９
Ａ１,２４＝－０．３１４３８８６１
Ａ１,２６＝－０．１４０５６８６３
Ａ１,２８＝０．２４７４０１２３
Ａ１,３０＝－０．０８３５５８６５７
Ａ１,３２＝０．００４９４７８５５８
Ａ１,３４＝－０．０００１６１４３０８８
Ａ１,３６＝－０．０００２２１０７１８５
Ａ１,３８＝－０．００００５１２０５２６８
Ａ１,４０＝０．０００１６９０９２００
Ｋ２＝－３４．６１５１９１
Ａ２,４＝１．５６６９９３６
Ａ２,６＝－９．１５４００９６
Ａ２,８＝３２．３１９２８９
Ａ２,１０＝－７１．４７３９５０
Ａ２,１２＝７７．５７８４７６
Ａ２,１４＝２６．９２４４５７
Ａ２,１６＝－１９６．４３０８０
Ａ２,１８＝２３３．５２６４１
Ａ２,２０＝－９４．３４０９４１
Ａ２,２２＝－４．５５５１１０１
Ａ２,２４＝－１５．２９３３０８Ａ２,２６＝１６．６６６３１１
Ａ２,２８＝３．３６７７０８５
Ａ２,３０＝６．２６５８３２４
Ａ２,３２＝－２．０５６０４７４
Ａ２,３４＝－０．０４０１５７１２１
Ａ２,３６＝－５．１７５１８０１
Ａ２,３８＝－９．５６４９７３６
Ａ２,４０＝１０．０７７８６７
図３は本実施例の対物レンズについての特性図である。横軸は光ディスク表面から情報の記録再生面までの透明基材の厚み、すなわち基材厚である。縦軸は収束スポットの波面収差である。横軸の基材厚に応じて、縦軸の収差が最小になるよう対物レンズへ入射させる光ビームの収束度を調整している。

本実施例の対物レンズに略平行な光ビームを入射させると、約８０μｍの基材厚を通したときに３次の球面収差が最小になる。一方、高次収差まで含めた全収差が最小になるのは対物レンズにやや収束する光ビームを入射させ、７３μｍの基材厚を通したときになるよう設計するところが本願の特徴である。図３に示されるとおり、薄い基材厚、例えば４６μｍでも、残存する収差は１２ｍλ（λは波長、値はｒｍｓ値、ＮＡは０．９１）以下に収まっている。基材厚の厚い側では１００μｍでも１２ｍλ以下しか収差が残存しておらず、バランスが良くなっている。製造誤差や入射光の平行度調整誤差などに対する収差のマージンが確保できる。

なお、残存する収差の最も大きな成分は５次の球面収差である。従って、本願の特徴は対物レンズに略平行な光ビームを入射させたときに３次の球面収差が最小になる基材厚と、対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際に５次の球面収差が最小になる基材厚が異なるように設計することでもある。本実施例では対物レンズに略平行な光ビームを入射させたときに３次の球面収差が最小になる基材厚が８０μｍであり、対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際に５次の球面収差が最小になる基材厚は約７３μｍである。５次の球面収差が最小になる状態では対物レンズに入射させる光ビームはやや収束光になっている。

本願の対物レンズは、略平行な光ビームを入射させ約８０μｍの基材厚を通したときには３次の球面収差が最小で、５次の球面収差を含む高次の球面収差も５ｍλに満たないので、全収差や５次の球面収差を基準値として基準値からの差分を収差の検査基準値と決めれば精度良く収差を検査できる。すなわち、略平行な光ビームを対物レンズに入射させ一定の基材厚を通したときの収差を測定し、全収差と基準値、あるいは、測定結果の５次球面収差と基準値の差分がある一定範囲であることを良品の条件とすることにより、精度良く収差を検査できる。

従って、より薄い基材厚への対応と従来型対物レンズと同じ条件での測定という２種の条件を同時に満足するという顕著な効果を得ることができる。

もし仮に７３μｍの基材厚において対物レンズに略平行な光ビームを入射したときに全収差が最小になるように設計したとすると８０μｍの基材厚において対物レンズに略平行な光ビームを入射したときに開口数０．９１の範囲で７５ｍλ（ｒｍｓ値）以上の収差が発生し、収差測定の精度が得られないことと比較すると、本発明の効果が顕著であることがよくわかる。

また、光ディスク用の対物レンズは開口数ＮＡを設計通りの値で用いるために開口制限を併用することが多い。例えば図１において対物レンズ１００の略平行な光ビーム入射側（図１の下方）に開口制限あるいは絞り（図示は省略）を配置して対物レンズ１００への光ビーム１０７の光束径を所望の値にして、正確な開口数ＮＡを実現する。この際に絞りと対物レンズ１００位置関係は設計との誤差が発生し公差が必要である。この公差は２０μｍあれば十分である。図１の左右前後方向の交差２０μｍを焦点距離１ｍｍ程度の対物レンズにおいて許容するためには０．０２ｍｍ÷ＮＡ≒０．０２なので、開口数が０．０２程度大きな範囲まで、少なくとも軸上において収差が小さくなるように延伸設計することが望ましい。本実施例においても、ＮＡは０．９２＋０．０２＝０．９４まで、軸上収差を抑えられるよう非球面を延長設計して、光ピックアップに実装する際には絞り（アパーチャ）によって、ＮＡを０．９～０．９２に制限して使用することが想定される。

（実施例２）
本実施例は図１において標準値が、ｔ１＝４３（μｍ）、ｔ２＝１９（μｍ）、ｔ３＝１５（μｍ）、ｔ４＝２３（μｍ）の光ディスクに対応する対物レンズである。基材厚の標準値は４３μｍから１００μｍなので、その平均値は７１．５μｍである。

実施例１は、硝材の屈折率ｎ＝１．６２３９１７９２８６、開口数ＮＡ＝０．９２、作動距離Ｗｄ＝０．２６０３の単レンズである。焦点距離ｆ＝１.３１０５２である。
ＮＡ＝０．９２
Ｒ１＝０．９４９３２１３５
Ｒ２＝－１．３９２２４４２
ｄ＝１．８８７３５９２
ｎ＝１．６２３９１７９２８６
Ｗｄ＝０．２６０３
Ｋ１＝－０．６１２３２５１９
Ａ１,４＝０．０３２６５２０４
Ａ１,６＝－０．０５９９９１３５
Ａ１,８＝０．２９３５２７３７
Ａ１,１０＝－０．５７８０４１４９
Ａ１,１２＝０．３９２５０５４０
Ａ１,１４＝０．４７９８８１８６
Ａ１,１６＝－０．９４５２１１８５
Ａ１,１８＝０．３９２７２４７３
Ａ１,２０＝－０．０３４７５８１８７
Ａ１,２２＝０．３５６５８６５５
Ａ１,２４＝－０．３１４３９４７６
Ａ１,２６＝－０．１４０５６３０５
Ａ１,２８＝０．２４７４０９２７
Ａ１,３０＝－０．０８３５５７２１８
Ａ１,３２＝０．００４９４４５６９６
Ａ１,３４＝－０．０００１６１７６４６０
Ａ１,３６＝－０．０００２２１５７９７９
Ａ１,３８＝－０．００００５０９８６１９７
Ａ１,４０＝０．０００１６９２６３９８
Ｋ２＝－３４．９６５４５５
Ａ２,４＝１．５６６６８４７
Ａ２,６＝－９．１５５８９９８
Ａ２,８＝３２．３１９０１３
Ａ２,１０＝－７１．４７１４９４
Ａ２,１２＝７７．５８４０８９
Ａ２,１４＝２６．９２５６１２Ａ２,１６＝－１９６．４４０５６
Ａ２,１８＝２３３．５１６５３
Ａ２,２０＝－９４．３４４１５３
Ａ２,２２＝－４．５５２１９４０
Ａ２,２４＝－１５．２７２５０８
Ａ２,２６＝１６．６９１０２３
Ａ２,２８＝３．３８０１０３４
Ａ２,３０＝６．２３７０８１４
Ａ２,３２＝－２．１１１４６９４
Ａ２,３４＝－０．０２５９２６０５３
Ａ２,３６＝－５．１９２０５９３
Ａ２,３８＝－９．５４０６０８２
Ａ２,４０＝０．１０２３４１
図４は本実施例の対物レンズについての特性図である。横軸は光ディスク表面から情報の記録再生面までの透明基材の厚み、すなわち基材厚である。縦軸は収束スポットの波面収差である。横軸の基材厚に応じて、縦軸の収差が最小になるよう対物レンズへ入射させる光ビームの収束度を調整している。

本実施例の対物レンズに略平行な光ビームを入射させると、約８０μｍの基材厚を通したときに３次の球面収差が最小になる。しかし、高次収差まで含めた全収差が最小になるのは対物レンズにやや収束する光ビームを入射させ、７１．５μｍの基材厚を通したときになるよう設計するところが本願の特徴である。図４に示されるとおり、薄い基材厚の４３μｍでも、残存する収差は１２ｍλ（λは波長、値はｒｍｓ値、ＮＡは０．９１）程度に収まっている。基材厚の厚い側１００μｍでも１２ｍλ程度しか収差が残存しておらず、バランスが良くなっている。製造誤差や入射光の平行度調整誤差などに対する収差のマージンが確保できる。

なお、残存する収差の最も大きな成分は５次の球面収差である。従って、本願の特徴は対物レンズに略平行な光ビームを入射させたときに３次の球面収差が最小になる基材厚と、対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際に５次の球面収差が最小になる基材厚が異なるように設計することでもある。本実施例では対物レンズに略平行な光ビームを入射させ、３次の球面収差が最小になる基材厚が８０μｍであり、対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際に５次の球面収差が最小になる基材厚は約７１．５μｍである。５次の球面収差が最小になる状態では対物レンズに入射させる光ビームはやや収束光になっている。

従って、より薄い基材厚への対応と従来型対物レンズと同じ条件での測定という２種の条件を満足するという顕著な効果を得ることができる。

もし仮に７１．５μｍの基材厚において対物レンズに略平行な光ビームを入射したときに全収差が最小になるように設計したとすると８０μｍの基材厚において対物レンズに略平行な光ビームを入射したときに開口数０．９１の範囲で９０ｍλ（ｒｍｓ値）以上の収差が発生し、収差測定の精度が得られないことと比較すると、本発明の効果が顕著であることがよくわかる。

また、本実施例でもＮＡは０．９４程度まで、軸上収差を抑えられるよう非球面を延長設計して、光ピックアップに実装する際には絞り（開口制限あるいはアパーチャ）によって、ＮＡを０．９～０．９２に制限して使用することが想定される。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２にかかる光ヘッド装置１３００を示す構成図である。図５において、光ヘッド装置１３００は、レーザ光源１３０１、リレーレンズ１３０２、ビームスプリッタ１３０３、コリメートレンズ（第１の凸レンズ）１３０４、立ち上げミラー１３０５、１／４波長板１３０６、対物レンズ１００、駆動手段１３０７、回折素子１３０８、検出レンズ１３０９、第１の光検出器１３１０、集光レンズ１３１１、第２の光検出器１３１２を備える。光ディスク１０１は、基材厚みｔ１が約０．１ｍｍ（製造誤差を含め０．１１ｍｍ以下の基材厚を約０．１ｍｍと呼ぶ）あるいはより薄い基材厚みを有し、波長λ１の光ビームによって記録・再生をされる。レーザ光源１３０１は、波長λ１（３９０ｎｍ～４１５ｎｍ：標準的には４０５ｎｍぐらい）の青色光の光ビーム１０７を出射する。光ディスク１０１は、例えば図１に示したように、光の入射面から記録面までの基材１０５に加え、厚み１．１ｍｍ程度の基板（保護材）１０４と張り合わせて機械的強度を補強し外形を１．２ｍｍ程度にする。以降、本発明の図面では、簡単のため、基板は省略する。

レーザ光源１３０１は、好ましくは半導体レーザ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。

光ディスク１０１の記録再生を行う際には、レーザ光源１３０１から出射した波長λ１の光ビーム１０７は、リレーレンズ１３０２を介してビームスプリッタ１３０３によって反射され、コリメートレンズ１３０４によって略平行な光ビームにされ、さらに立ち上げミラー１３０５によって光軸を折り曲げられ、１／４波長板１３０６によって円偏光になる。対物レンズ１００によって光ディスク１０１の厚さ約０．１ｍｍの基材を通して光ビーム１０７が情報記録面１０６に収束される。リレーレンズ１３０２により、レーザ光源１３０１からの光利用効率や遠視野像（ｆａｒｆｉｅｌｄｐａｔｔｅｒｎ）を好ましいものに設定できるが、特に必要ない場合は省略も可能である。ここで、図面の都合上、立ち上げミラー１３０５は光ビームを図面の上方に曲げるように記述したが実際には図面から手前（あるいは奥）へ図面に対して垂直な方向へ光ビーム光軸を折り曲げる構成とする。ここまでの光路を往路と呼ぶ。

情報記録面で反射した光ビーム１０７は、もとの光路を逆にたどって（復路）、１／４波長板１３０６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１３０３をほぼ全透過し、検出レンズ１３０９によって焦点距離を伸ばされて、第１の光検出器１３１０に入射する。第１の光検出器１３１０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。なお、復路中に回折素子１３０８を設けることにより高精度で安定なサーボ信号検出を実現することも出来る。上記のようにビームスプリッタ１３０３は、波長λ１の光ビーム１０７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を具備する。なお再生専用機など光ヘッド装置１３００の用途によっては、ビームスプリッタ１３０３は偏光依存性をなくし、１／４波長板１３０６を省略することも可能である。

ここで、対物レンズ１００は、実施の形態１の対物レンズであり、従来型の対物レンズと共用の基材を使って収差検査することができ、低コストに生産できるので、光ヘッド装置１３００は薄い基材厚に対応して多層の光ディスクの記録再生ができる上に低コストで製造可能であるという効果を持つ。

また、コリメートレンズ１３０４を光軸方向（図５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。基材の厚さ誤差や、光ディスク１０１が多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１３０４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１３０４を動かすことによる球面収差の補正は、±３０μｍ以上の基材厚さを補正することもできる。

さらに、ビームスプリッタ１３０３を、レーザ光源１３０１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１０７をさらに集光レンズ１３１１によって第２の光検出器１３１２へ導くと、第２の光検出器１３１２から得られる信号を用いて光ビーム１０７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、光ビーム１０７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３）
図６は、実施の形態３に係る光情報装置１４００の構成図である。図６において、光情報装置１４００は、光ヘッド装置１３００、駆動装置１４０１、電気回路１４０２、モータ１４０３、ターンテーブル１４０４、クランパ１４０５を備える。光ヘッド装置１３００は、実施の形態２で説明したものである。

光ディスク１０１は、ターンテーブル１４０４に乗せられ、クランパ１４０５で固定された状態でモータ１４０３によって回転される。光ヘッド装置１３００は、光ディスク１０１の所望の情報の存在するトラックのところまで、駆動装置１４０１によって粗動される。

光ヘッド装置１３００は、光ディスク１０１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１４０２へ送る。電気回路１４０２はこの信号に対応して、光ヘッド装置１３００へ、対物レンズ１００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１３００は、光ディスク１０１に対してフォーカス制御や、トラッキング制御を行い、光ヘッド装置１３００によって、情報の読み出し、または書き込み（記録）や消去を行う。

本実施の形態の光情報装置１４００は、光ヘッド装置として実施の形態２で説明した光ヘッド装置１３００を用いるので、低コストで構成できる上に、多層の大容量光ディスクに対応することができるという効果を有する。

（実施の形態４）
実施の形態３に記した光情報装置１４００を具備した、あるいは、上述の記録・再生方法を採用したコンピュータや、光ディスクプレーヤ、光ディスクレコーダ、サーバ、車両等は、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という効果を有するものとなる。また、これらは、光ヘッド装置を用いて光ディスクから情報を再生するという意味では共通のものなので、すべてを総称して光ディスクシステムということもできる。

図７は、実施の形態４に係る光ディスクシステム１５００を示す構成図である。光ディスクシステム１５００は、実施の形態３の光情報装置１４００、演算装置１５０１を備える。光ディスクシステム１５００は、入力装置１５０２を接続する入力端子、出力装置１５０３を接続する出力端子を備える。

入力装置１５０２は、情報の入力を行う。例えば、キーボードあるいはマウス、タッチパネルは、入力装置１５０２の一例である。演算装置１５０１は、入力装置１５０２から入力された情報や、光情報装置１４００から読み出した情報などに基づいて演算を行う。例えば、中央演算装置（ＣＰＵ）は、演算装置１５０１の一例である。出力装置１５０３は、演算装置１５０１によって演算された結果などの情報を表示する。例えば、ブラウン管や液晶表示装置、プリンターは、出力装置１５０３の一例である。

本実施の形態の光ディスクシステムは、光ヘッド装置として、実施の形態３の光ヘッド装置を用いるので、低コストで構成できる上に、多層の大容量光ディスクを用いて大容量のシステムを構築できるという効果を有する。

なお、演算装置１５０１は、光情報装置１４００から得られる情報信号を静止画や動画を含む画像に変換する変換装置であっても良い。また、また、演算装置１５０１は、光情報装置１４００から得られる静止画や動画を含む画像を情報に変換する変換装置であっても良い。また、光情報装置１４００から得られる情報信号を静止画や動画を含む画像に変換するとともに、光情報装置１４００から得られる静止画や動画を含む画像を情報に変換することができる変換装置であっても良い。また、入力装置１５０２や出力装置１５０３は、光ディスクシステム１５００に一体に構成されていても良い。

（実施の形態５）
図８は、実施の形態５に係る光ディスクシステム１６００の構成図である。光ディスクシステム１６００は、実施の形態３の光ディスクシステム１５００に対して、さらに入出力端子１６０１を備える。入出力端子１６０１は、光情報装置１４００に記録する情報を取り込んだり、光情報装置１４００によって読み出した情報を外部ネットワーク１６０２に出力する有線または無線の通信端子である。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、電話、テレビチューナ等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として利用することが可能となる。実施の形態５における光情報装置は、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効果を有するものとなる。さらに、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１５０３を備えてもよい。

さらに、複数の光ディスクを光情報装置１４００に出し入れすることができるチェンジャーを具備することにより、多くの情報を記録・蓄積できる効果を得ることができ、データセンターにおける情報蓄積装置として好適である。

本実施の形態の光情報装置は、光ヘッド装置として、本発明で上述した光ヘッド装置を用いるので、低コストで構成できる上に、多層の大容量光ディスクを用いて大容量のシステムを構築できるという効果を有する。

なお、実施の形態４及び５において図１５及び図１６には出力装置１５０３を示したが、出力端子を備えて出力装置１５０３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、実施の形態４及び５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。

本発明にかかる対物レンズ、光ヘッド装置は低コストで構成できる上に、多層の大容量光ディスクに対応することができる、さらに、この光ヘッド装置を用いた光情報装置は、低コストで構成できる上に、多層の大容量光ディスクを用いて大容量のシステムを構築できる。また、コンピュータ、光ディスクプレーヤ、光ディスクレコーダ、カーナビゲーションシステム、編集システム、データサーバー、ＡＶコンポーネント、車両など、情報を蓄えるあらゆるシステムに応用展開可能を期待される。

４０光ディスク
４０ａ第１情報記録面
４０ｂ第２情報記録面
４０ｃ第３情報記録面
４０ｄ第４情報記録面
１００対物レンズ
１０１光ディスク
１０２第一面
１０３第二面
１０４基板
１０５基材
１０６情報記録面
１０７光ビーム
４０１光ディスク
５６１対物レンズ
７０１光ビーム
１３００光ヘッド装置
１３０１レーザ光源
１３０２リレーレンズ
１３０３ビームスプリッタ
１３０４コリメートレンズ
１３０５立ち上げミラー
１３０６１／４波長板
１３０７駆動手段
１３０８回折素子
１３０９検出レンズ
１３１０第１の光検出器
１３１１集光レンズ
１３１２第２の光検出器
１４００光情報装置
１４０１駆動装置
１４０２電気回路
１４０３モータ
１４０４ターンテーブル
１４０５クランパ
１５００光ディスクシステム
１５０１演算装置
１５０２入力装置
１５０３出力装置
１６００光ディスクシステム
１６０１入出力端子
１６０２外部ネットワーク

Claims

単レンズ構成の対物レンズであって、開口数は０．９以上であり、前記対物レンズに略平行な光ビームを入射させたときに３次の球面収差が最小になる基材厚ｔｈと、前記対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際に全収差が最小になる基材厚ｔｍが異なることを特徴とする対物レンズ。
請求項１記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは前記基材厚ｔｍより厚いことを特徴とする対物レンズ。
請求項２記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは７５μｍより厚く、前記基材厚ｔｍは７５μｍより薄いことを特徴とする対物レンズ。
単レンズ構成の対物レンズであって、前記対物レンズに略平行な光ビームを入射させたときに３次の球面収差が最小になる基材厚ｔｈと、前記対物レンズに入射させる光ビームの平行度を平行な状態から変化させて３次の球面収差を最小にした際の５次の球面収差が最小になる基材厚ｔｍ５が異なることを特徴とする対物レンズ。
請求項４記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは前記基材厚ｔｍ５より厚いことを特徴とする対物レンズ。
請求項５記載の対物レンズであって、
前記基材厚ｔｈは７５μｍより厚く、前記基材厚ｔｍ５は７５μｍより薄いことを特徴とする対物レンズ。
光ビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射される光ビームを受けて光ディスクの記録面上へ微小スポットに集光する請求項１～６記載のいずれかの対物レンズと、前記光ディスク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を形成した光検出器とを具備することを特徴とする光ヘッド装置。
請求項７記載の光ヘッド装置と、
光ディスクを回転するモータと、前記光ヘッド装置から得られる信号を受け、前記モータや前記対物レンズや前記レーザ光源を制御および駆動する電器回路を具備する光情報装置。
第１の光源と、前記第１の光源から出射される光ビームを受けて基材厚ｔ１の基材を通して光ディスクの記録面上へ微小スポットに集光する請求項１～６記載のいずれかの対物レンズと、前記光ディスク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を形成した光検出器と、前記対物レンズを光軸方向に駆動して前記微小スポットを前記光ディスクの記録面上へ焦点あわせするアクチュエータを具備し、
前記光検出器から、焦点誤差信号を検出するための電気信号を検出し、
前記アクチュエータによって前記対物レンズを光軸方向に駆動することによって、前記微小スポットを前記光ディスクの記録面上へ焦点あわせすることを特徴とする光情報装置。
請求項８または９記載のいずれかの光情報装置と、
情報を入力するための入力装置あるいは入力端子と、
前記入力装置あるいは入力端子から入力された情報や前記光情報装置から再生された情報に基づいて演算を行う演算装置と、
前記入力装置あるいは入力端子から入力された情報や前記光情報装置から再生された情報や、前記演算装置によって演算された結果を表示あるいは出力するための出力装置あるいは出力端子を備えた光ディスクシステム。
請求項８または９記載のいずれかの光情報装置と、
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情報から画像へのデコーダーを有する光ディスクシステム。
請求項８または９記載のいずれかの光情報装置と、
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画像から情報へのエンコーダーを有する光ディスクシステム。
請求項８または９記載のいずれかの光情報装置と、
外部との情報のやりとりを行う入出力端子を備えた光ディスクシステム。
請求項１～６記載のいずれかの対物レンズの検査方法であって、略平行な光ビームを前記対物レンズに入射させ一定の基材厚を通したときの収差を測定し、全収差と基準値、あるいは、５次球面収差と基準値の差分がある一定範囲であることを良品の条件とすることを特徴とする対物レンズの検査方法。