JPWO2005091280A1 - 光学素子、光ピックアップ及び光情報記録再生装置 - Google Patents

光学素子、光ピックアップ及び光情報記録再生装置 Download PDF

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Abstract

光学素子１０には、球面収差補正用ホログラム２０が形成されている。必要とされる有効径が最も大きい第１のレーザ光については、このホログラムは波面に影響を及ぼさない。一方、必要とされる有効径が２番目に大きい第２のレーザ光については、このホログラムを形成する同心円且つ輪帯状のホログラム２１及びホログラム２２によって球面収差が補正され、有効径が絞り込まれる。また、必要とされる有効径が最も小さい第３のレーザ光については、ホログラム２２のみが球面収差の補正効果を有する。このホログラム２２は、直径が、第３のレーザ光に必要とされる有効径と対応付けられており、拡散光入射であることと併せて、第３のレーザ光の有効径が絞り込まれる。

Description

本発明は、例えば、レーザ光を用いて書き込みや読み取りを行う複数種類の記録媒体間で対物レンズを共有させ得る光学素子、光ピックアップ及び光情報記録再生装置の技術分野に関する。
この様な光学素子は、基板表面から記録層までの距離、記録密度などの光学特性の相互に異なる複数種類の記録媒体間で対物レンズや光ピックアップ等を共有するために、これら複数種類の記録媒体の夫々に対応するレーザ光の光路上に設けられる。この様な光学素子の一例として、回折を利用して複数種類の記録媒体の間で対物レンズの互換を実現する光学素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
係る光学素子には、回折輪帯が設けられており、開口数が小さい側の使用状態で所定開口数の外側の光束をフレアとしている。従って、ビーム径が絞られ過ぎず、厚さの相異なる複数種類の記録媒体に対して、情報の記録再生を行うことが可能であるとされている。
特開２００１−２３５６７６号公報
しかしながら、係る従来の光学素子は、以下に例示する問題点を有する。
即ち、記録媒体の種類は増加の傾向にあり、また、光学素子等を含む光ピックアップは小型化の要求が顕著である。係る事情に際し、従来の光学素子では、回折輪帯が、３種類以上の記録媒体に対して効果的な構造を有していないため、３種類以上の記録媒体に対して良好な記録特性を保つのは実質上不可能である。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされ、例えば、３種類以上の記録媒体に対して対物レンズの共有を可能とする光学素子、光ピックアップ及び光情報記録再生装置を提供することを課題とする。
＜光学素子＞
本発明の光学素子は上記課題を解決するために、第１のレーザ光を厚さＤ１の透過保護層を介して受光する記録層を備える第１の記録媒体上に集光するための対物レンズを、前記第１のレーザ光とは波長の異なる複数のレーザ光及び該複数のレーザ光の夫々に対応する複数の記録媒体で共有するために、前記第１のレーザ光及び前記複数のレーザ光の光路上に設けられる光学素子であって、前記複数のレーザ光は、厚さＤ２（Ｄ２＞Ｄ１）の透過保護層を有する第２の記録媒体に対応する第２のレーザ光と、厚さＤ３（Ｄ３＞Ｄ２）の透過保護層を有する第３の記録媒体に対応すると共に有限系で使用される第３のレーザ光とを含んでなり、前記第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光が前記対物レンズに入射する際に必要とされる光束の有効径は、夫々Ｒ１、Ｒ２（Ｒ１＞Ｒ２）及びＲ３（Ｒ２＞Ｒ３）であり、当該光学素子の入射又は出射面における前記有効径Ｒ２に対応する領域に設けられており、前記透過保護層の厚さＤ１と前記透過保護層の厚さＤ２との差分、及び前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差を補正する第１の収差補正手段と、前記入射又は出射面における前記有効径Ｒ３に対応する領域に設けられており、前記透過保護層の厚さＤ１と前記透過保護層の厚さＤ２及びＤ３との差分、並びに前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光及び第３のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差を補正する第２の収差補正手段とを具備する。
本発明の光学素子によれば、第１の収差補正手段によって、透過保護層の厚さＤ１とＤ２との差分、及び第１のレーザ光と第２のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差が補正される。他方、第２の収差補正手段によって、透過保護層の厚さＤ１とＤ２との差分、透過保護層の厚さＤ１とＤ３との差分、第１のレーザ光と第２のレーザ光との波長の差異、及び第１のレーザ光と第３のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差が補正される。即ち、第２のレーザ光に係る球面収差或いは波面収差と、第３のレーザ光に係る球面収差或いは波面収差とが夫々、当該光学素子によって補正される。従って、第２のレーザ光及び第３のレーザ光を、対物レンズを介して、夫々第２の記録媒体及び第３の記録媒体の記録層に球面収差或いは波面収差が低減された状態で集光することが可能となり、この際、対物レンズを、第１の記録媒体を含めた少なくとも３種類の記録媒体間で共有することが可能となるのである。
本発明の光学素子の一の態様では、前記第１の収差補正手段及び前記第２の収差補正手段は、前記入射又は出射面における相異なる領域に作りこまれており、同心円状且つ輪帯状に形成されてなる。
係る態様によれば、第１の収差補正手段及び第２の収差補正手段が、光学素子の入射面又は出射面において、同心円状且つ輪帯状の相異なる領域として形成されるから、夫々のレーザ光に対し効率良く補正の効果を奏し得る。
本発明の光学素子の他の態様では、前記第１の収差補正手段は、前記入射又は出射面において、前記Ｒ２に対応付けられた外周径及び前記Ｒ３に対応付けられた内周径を有する輪帯状に形成されてなり、前記第２の収差補正手段は、前記入射又は出射面において、前記有効径Ｒ３に対応付けられた直径を有する円状に形成されてなる。
この態様によれば、第１の収差補正手段及び第２の収差補正手段が、夫々のレーザ光において必要とされる有効径に対応付けて形成されているから、夫々の補正手段によって効率良く収差の補正が行われる。
本発明の光学素子の他の態様では、前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光の波長範囲は、夫々４００〜４１０ｎｍ、６３５〜６７０ｎｍ、及び７８０〜８１０ｎｍである。
この態様によれば、第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光の波長は、夫々ＢＤ（Blue-ray Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）及びＣＤ（Compact Disc）に対する情報記録再生用の波長に対応するため、これらの記録媒体間で対物レンズを共有することが可能である。
本発明の光学素子の他の態様では、前記第１の収差補正手段及び前記第２の収差補正手段は、前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光における波長に対応付けられた位相段差が複数形成されてなる回折パターンである。
ここで述べられる「回折パターン」とは、凹凸や明暗の格子縞、回折格子又はそれらが形成された素子等、入射光を所望の回折角又は回折次数で回折させ得るもの全てを表す概念であり、例えば、「位相段差」が複数形成されたものとして規定される。この位相段差とは、物理的な段差に留まらず、この回折パターンを通過する各種レーザ光において、光路長差を発生させ得るもの全てを含むものであり、例えば、屈折率分布の異なる領域が組み合わさったものであってもよい。
係る態様によれば、第１の収差補正手段及び第２の収差補正手段は、第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光における波長に対応付けられたこの様な回折パターンとして形成されるから、これらの手段を簡便に構成することが可能である。
収差補正手段が回折パターンである光学素子の一の態様では、前記第１の収差補正手段は、前記第１のレーザ光における偶数（１０の倍数を除く）次回折光の回折効率が最大なる様に形成されており、前記第２の収差補正手段は、前記第１のレーザ光における奇数（５の倍数を除く）次回折光の回折効率が最大となる様に形成されている。
この態様では、第１の収差補正手段及び第２の収差補正手段に係る効果を簡便に実現可能である。
また、この態様では、前記偶数次回折光は２次回折光であってもよく、また、前記奇数次回折光は１次回折光であってもよい。
この様に第１の収差補正手段及び第２の収差補正手段が形成された場合には、夫々が対象とする収差を効率良く補正することが可能である。
本発明の光学素子の他の態様において、前記光学素子は、前記対物レンズと一体として設けられる。
この態様によれば、光学素子が対物レンズと一体として設けられるので、部品点数を削減することができ、コストダウンを図ることが可能である。
＜光ピックアップ＞
本発明の光ピックアップは上記課題を解決するために、上述した本発明の光学素子（但し、その各種態様を含む）を具備する。
係る光ピックアップによれば、３種類以上の記録媒体が使用可能となる。
＜光情報記録再生装置＞
本発明の光情報記録再生装置は上記課題を解決するために、上述した本発明の光ピックアップを具備する。
係る光情報記録再生装置によれば、３種類以上の記録媒体が使用可能となる。
以上説明した様に、本発明の光学素子によれば、第１の収差補正手段及び第２の収差補正手段を具備するので、３つ以上の記録媒体間において対物レンズを簡易な構成で共有することが可能となる。本発明の光ピックアップによれば、上述した本発明の光学素子を備えるので、３種類以上の記録媒体が使用可能となる。本発明の光情報記録再生装置は、上述した本発明の光ピックアップを備えるので、３種類以上の記録媒体が使用可能となる。
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施例から明らかにされる。
本発明の実施例に係る光ピックアップ１００の構成例を示す図である。 本発明の第１実施例に係る記録媒体２００の略断面図である。 本発明の第１実施例に係る光学素子１０の断面図である。 光学素子１０における入射面１２の平面図である。 光学素子１０における各レーザ光の集光の様子を例示する図である。 本発明の変形例に係る光学素子３０の断面図である。 本発明の変形例に係る対物レンズ１２１の断面図である。
符号の説明
１０…光学素子、１１…基材、１２…入射面、１３…基材、２０…球面収差補正用ホログラム、２１…ホログラム、２２…ホログラム、１００…光ピックアップ、２００…記録媒体。
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例毎に順に図面に基づいて説明する。
＜第１実施例＞
＜光ピックアップの構成及び動作＞
始めに、本発明の実施例に係る光学素子を含んでなる、本発明の実施例に係る光ピックアップの構成及び動作について、図１を参照して説明する。ここに、図１は、光ピックアップ１００の構成例を示す図である。
図１において、光ピックアップ１００は、ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの３種類の記録媒体に対して情報の記録及び読み出しを行う装置である。
光ピックアップ１００は、ＢＤ用光源１０１、ビーム整形レンズ１０２、ダイクロイックミラー１０３、ＰＢＳ（Polarized Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）１０４、ＤＶＤ用光源１０５、カップリングレンズ１０６、ＢＤ／ＤＶＤ用センサレンズ１０７、ＢＤ／ＤＶＤ用ディテクタ１０８、コリメータレンズ１０９、ＣＤ用光源１１０、ハーフミラー１１１、ＣＤ用センサレンズ１１２、ＣＤ用ディテクタ１１３、カップリングレンズ１１４、ダイクロイックミラー１１５、１／４波長板１１６、光学素子１０及び対物レンズ１２０を備える。対物レンズ１２０を通過した光束は、記録媒体２００の記録層に集光する。
ＢＤ用光源１０１は、本発明に係る「第１のレーザ光」の一例たる波長４０５ｎｍのレーザ光を出射する光源である。また、ＤＶＤ用光源１０５は、本発明に係る「第２のレーザ光」の一例たる波長６５０ｎｍのレーザ光を出射する光源であり、ＣＤ用光源１１０は、本発明に係る「第３のレーザ光」の一例たる波長７８０ｎｍのレーザ光を出射する光源である。尚、以降の説明において、特別な断りのない限りは、ＢＤ用光源１０１から出射された波長４０５ｎｍのレーザ光を「第１のレーザ光」、ＤＶＤ用光源１０５から出射された波長６５０ｎｍのレーザ光を「第２のレーザ光」、そしてＣＤ用光源１１０から出射された波長７８０ｎｍのレーザ光を「第３のレーザ光」と夫々称することとする。
ビーム整形レンズ１０２は、第１のレーザ光を断面視円形に整形し、整形後の第１のレーザ光をダイクロイックミラー１０３に供給するレンズである。また、カップリングレンズ１０６は、ＤＶＤ用光源１０５から出射される第２のレーザ光をダイクロイックミラー１０３に供給するためのレンズである。
ダイクロイックミラー１０３は、特定の波長を有するレーザ光を反射するミラーであり、ここでは第２のレーザ光を反射する。従って、ダイクロイックミラー１０３に入射した第１のレーザ光及び第２のレーザ光は、夫々同方向に進行し、ＰＢＳ１０４に入射する。
ＰＢＳ１０４は、ＢＤ用光源１０１及びＤＶＤ用光源１０５側から入射する第１のレーザ光及び第２のレーザ光については透過し、コリメータレンズ１０９に供給する。コリメータレンズ１０９は、光源からの入射光を平行光に変換するレンズである。コリメータレンズによって平行光に変換された第１のレーザ光及び第２のレーザ光は、ダイクロイックミラー１１５に入射する。
また、ＰＢＳ１０４は、記録媒体２００からの反射光についてはＢＤ／ＤＶＤ用センサレンズ１０７の方向に進行方向を変換する。ＢＤ／ＤＶＤ用センサレンズ１０７は、ＰＢＳ１０４から入射する第１のレーザ光及び第２のレーザ光をＢＤ／ＤＶＤ用ディテクタ１０８に集光する。ＢＤ／ＤＶＤ用ディテクタ１０８では、集光されたレーザ光を検出する。ＢＤ／ＤＶＤ用ディテクタ１０８は、ＢＤ及びＤＶＤで共有されている。
一方、ＣＤ用光源１１０から出射された第３のレーザ光は、ハーフミラー１１１に入射する。ハーフミラー１１１は半面鏡であり、ＰＢＳ１０４と同様、光源側からのレーザ光は透過すると共に、記録媒体側からのレーザ光についてはＣＤ用センサレンズ１１２の方向に反射する。ＣＤ用センサレンズ１１２は、入射した第３のレーザ光をＣＤ用ディテクタ１１３に集光する。ＣＤ用ディテクタ１１３は、集光されたレーザ光を検出する。ハーフミラー１１１を通過した第３のレーザ光は、カップリングレンズ１１４に入射する。カップリングレンズ１１４は、入射した第３のレーザ光をダイクロイックミラー１１５に供給するためのレンズである。
尚、第３のレーザ光は、コリメータレンズを介さずにダイクロイックミラー１１５に入射する発散光である。従って、光ピックアップ１００はＣＤに関してのみ有限系である。
ダイクロイックミラー１１５は、第１のレーザ光及び第２のレーザ光のみを反射するミラーであり、第３のレーザ光は影響を受けずに透過する。従って、結果的に、第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光は全て同一方向に進行する。これら夫々のレーザ光は、１／４波長板１１６を通過した後、光学素子１０に入射する。光学素子１０の詳細構成については後述する。
光学素子１０を通過した各レーザ光は、対物レンズ１２０に入射する。対物レンズ１２０は、本発明に係る「対物レンズ」の一例であり、入射光を記録媒体２００の記録層へ集光するレンズである。
光ピックアップ１００は、以上の如き構成を有している。尚、光ピックアップ１００は、基本的にＢＤ用の光学系であり、光学素子１０の作用によって、ＤＶＤ及びＣＤとの互換が実現された、本発明に係る「光ピックアップ」の一例である。
ここで、記録媒体２００について図２を参照して説明する。ここに、図２は、記録媒体２００の略断面図である。
記録媒体２００は、例えば、ＢＤである記録媒体２００ａ、ＤＶＤである記録媒体２００ｂ及びＣＤである記録媒体２００ｃからなる。記録媒体２００は、記録媒体２００ａ、記録媒体２００ｂ及び記録媒体２００ｃに対応して、夫々、本発明に係る「記録層」の一例たる記録層２１０ａ、記録層２１０ｂ及び記録層２１０ｃを有しており、夫々第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光が集光されることにより、種々の情報の書き込み及び読み出しが可能となっている。
また、各記録層と対物レンズ１２０との間には、記録媒体２００ａ、記録媒体２００ｂ及び記録媒体２００ｃに対応して、夫々、本発明に係る「透過保護層」の一例たる基板２２０ａ、基板２２０ｂ及び基板２２０ｃが介在しており、その基板厚は、夫々０．１ｍｍ（即ち、本発明に係る「厚さＤ１」の一例）、０．６ｍｍ（即ち、本発明に係る「厚さＤ２」の一例）及び１．２ｍｍ（即ち、本発明に係る「厚さＤ３」の一例）となっている。光ピックアップ１００においては、記録媒体２００ａ、記録媒体２００ｂ及び記録媒体２００ｃが適宜選択され使用される。
＜光学素子１０の構成＞
次に、光学素子１０の構成について、図３を参照して説明する。ここに、図３は、光学素子１０の断面図である。
図３において、光学素子１０は、基材１１を備え、基材１１の入射面１２には、球面収差補正用ホログラム２０が形成されている。
基材１１は、光学素子１０の基材となる、光透過性の平板状部材であり、例えば、ガラス、又はプラスチック等の樹脂材料で構成されている。入射面１２は、光ピックアップ１００において１／４波長板１１６と対面する側の面である。
球面収差補正用ホログラム２０は、入射面１２の一部に形成された、本発明に係る「回折パターン」の一例たるホログラムである。球面収差補正用ホログラム２０は、図３において拡大図に示す如く、階段状に位相段差が形成された形状を有し、ホログラム２１及びホログラム２２からなる。ホログラム２１は、基板２２０ａと基板２２０ｂとの基板厚の差分、及び第１のレーザ光と第２のレーザ光との波長の差異によって生じる球面収差を補正するホログラムであり、本発明に係る「第１の収差補正手段」の一例である。また、ホログラム２２は、基板２２０ａと基板２２０ｂ及び基板２２０ｃとの基板厚の差分、並びに第１のレーザ光と第２のレーザ光及び第３のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する球面収差を補正するホログラムであり、本発明に係る「第２の収差補正手段」の一例である。入射面１２において、球面収差補正用ホログラム２０は緩やかな非球面形状に形成される。
尚、本発明に係る「位相段差」とは、本実施例の如き、物理的な段差に限定されるものではなく、既に述べた通り、通過するレーザ光に対し、何らかの光路長差を生じさせるもの全てを含む趣旨である。
＜球面収差補正用ホログラム２０の構成＞
次に、球面収差補正用ホログラム２０の詳細について、図４を参照して説明する。ここに、図４は、球面収差ホログラム２０の平面図である。
図４において、球面収差補正用ホログラム２０は、入射光の光軸（光束の中心軸であり、本実施例では全てのレーザ光について等しい）を中心とした同心円状に形成された領域Ａ及び領域Ｂを有する。
領域Ａは、外周径ｒ１及び内周径ｒ２（ｒ１＞ｒ２）を有する輪帯状の領域であり、ホログラム２１が形成される領域である。領域Ｂは、直径ｒ２を有する円形の領域であり、ホログラム２２が形成される領域である。
球面収差補正用ホログラム２０は、対物レンズ１２０を第２の記録媒体及び第３の記録媒体で共有可能とするために形成されるものであるから、その形成領域はこれらの記録媒体に対応するレーザ光の有効径と大きく関係する。ここで、本発明に係る「有効径」とは、複数のレーザ光の夫々において、対物レンズによる集光に寄与する光束の径を表わす概念に基づいて規定されるが、必ずしも対物レンズ上で規定される必要はなく、光学素子に入射、又は光学素子から出射する光束について規定されても構わない。即ち、第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光について等しい条件で規定される限りにおいて、係る「有効径」とは、最終的に、対物レンズによって記録媒体毎に定められるスポット（焦点）範囲内に集光される光束の径を広く表わす概念である。
係る「有効径」は、記録媒体毎に定められるＮＡ（Numerical Aperture：開口数）に大きく影響する。焦点距離が等しければ、対物レンズ１２０に入射する光束の径が大きい程ＮＡは大きい。また、ＮＡが大きい程、集光されるスポット径は小さく、スポット径が小さい程高密度の情報記録が可能である。ＮＡの値は、記録媒体毎に予め定められている。従って、自ずと記録媒体毎に必要される有効径が定まることとなる。ＮＡの値は、ＢＤにおいて０．８５、ＤＶＤにおいて０．６、そしてＣＤにおいて０．４５と規定されており、従って、必要とされる有効径は、記録媒体２００ａ、記録媒体２００ｂ、記録媒体２００ｃの順に大きい。
尚、上述したＮＡは、物体側（光源側）又は像点側（焦点側）の何れにおいても規定することができる。上記した各記録媒体のＮＡは像点側のＮＡである。
上述したｒ１は、第２のレーザ光が対物レンズ１２０に対し必要とされる有効径で入射する様に規定されており、同様に、ｒ２は、第３のレーザ光が対物レンズ１２０に対し必要とされる有効径で入射する様に規定されるものである。即ち、本実施例に係るｒ１は、本発明に係る「有効径Ｒ２に対応付けられた外周径」の一例であり、また、ｒ２は、本発明に係る「有効径Ｒ３に対応付けられた内周径」、又は本発明に係る「有効径Ｒ３に対応付けられた直径」の一例である。また、有効径の定義が光学素子１０の入射面１２でなされるなら、ｒ１及びｒ２は、有効径そのものであってもよい。
球面収差補正用ホログラム２０において、各領域はこの様に形成されている。従って、領域Ｂの外側、即ち、領域Ａは、第３のレーザ光（ＣＤ用のレーザ光）をフレアとして拡散させる領域である必要がある。
ここで、光ピックアップ１００はＢＤ用の光学系であるから、第２のレーザ光（ＤＶＤ用のレーザ光）及び第３のレーザ光は、何らかの球面収差補正が講じられなければ、膨大な残留収差によって、夫々の記録媒体へ集光することが困難である。従って、領域Ａに形成されるホログラム２１は、第２のレーザ光に対してのみ球面収差の補正効果があるホログラムとなっている。同様に、領域Ｂに形成されるホログラム２２は、第２のレーザ光及び第３のレーザ光の両方に対して球面収差の補正効果があるホログラムとなっている。本実施例においては、この様な領域毎に異なる効果を、夫々のホログラムにおける位相段差の深さを変えることによって実現している。
球面収差補正用ホログラム２０は、上述した通り、位相段差が階段状に複数形成されたものであるが、この位相段差は、各レーザ光の波長に対応付けられた深さを有する。本実施例において、球面収差補正用ホログラム２０は、このホログラムを通過する第１のレーザ光（ＢＤ用のレーザ光）の光路長差が、丁度波長の整数倍となる位相段差を有する様に形成されている。この光路長差は、ホログラム２１及びホログラム２２において、夫々、第１のレーザ光の２波長分及び１波長分となっている。また、これらの位相段差で分割された夫々の面は、全て光軸に垂直な平面となっている。従って、第１のレーザ光がホログラム２１及びホログラム２２を通過した場合には、光軸に垂直な平面に入射した場合と同様に振舞う。
ここで、第１のレーザ光の２波長分の光路長差は、第２のレーザ光における１．２波長分の光路長差に相当し、第３のレーザ光における１波長分の光路長差に相当する。また、第１のレーザ光の１波長分の光路長差は、第２のレーザ光における０．６波長分の光路長差に相当し、第３のレーザ光における０．５波長分の光路長差に相当する。無論、第１のレーザ光の波長は４０５ｎｍ、第２のレーザ光の波長は６５０ｎｍ、第３のレーザ光の波長は７８０ｎｍであるから、波長の比率換算からは厳密には係る関係は成立しない。しかしながら、例えば、光学素子１０の材料となるプラスチックやガラスは、波長が短くなるに従い屈折率が高くなるため、係る用途に使用される材料においては、概ね係る関係が成立する。
即ち、本発明において述べられる「夫々の波長に対応付けられた位相段差」とは、厳密に波長の整数倍の光路長差を有する位相段差を規定するだけではなく、実質的に波長の整数倍として振る舞い得る光路長差を有する位相段差を含んだ概念である。また、係る位相段差の態様は、ここで述べられる様な形状的な段差に限定されない。例えば、屈折率分布によっても係る位相段差を実現することが可能である。更には、この様な「対応付け」の態様は、本発明の効果を担保し得る範囲において自由である。
球面収差補正用ホログラム２０に形成されている位相段差で発生する光路長差が、波長の整数倍であり、且つ位相段差で分割された夫々の面が光軸に垂直な平面の場合には、出射するレーザ光には位相差が生じないため、レーザ光の波面には一切の変化が生じない、即ち、如何なる波面補正も生じない。従って、第１のレーザ光に対しては、領域Ａ及び領域Ｂにおいて、波面に影響が現れず、あたかもこの球面収差補正用ホログラム２０が単なる平行平板であるかの如く振舞うこととなる。
一方、第２のレーザ光が、球面収差補正用ホログラム２０に入射した場合、ホログラム２１においては０．６波長分の、ホログラム２２においては０．５波長分の光路長差が発生する。この様に、光路長差が波長の整数倍とならない場合は、その差分に相当する位相が収差として波面に付加される。
光路長差と回折次数とは相関があり、例えば、ホログラム２１を通過する第１のレーザ光は、位相段差にて２波長分の光路長差が生じるから２次回折光の回折効率が最大となり、その計算上の回折効率は１００％である。また、ホログラム２２を通過する第１のレーザ光においては、位相段差にて１波長分の光路長差が生じるから１次回折光の回折効率が最大となり、その計算上の回折効率は１００％である。
ホログラム２１を通過する第２のレーザ光については、位相段差にて１．２波長分の光路長差が生じるから、回折効率が約８７．５％の１次回折光が発生し、夫々の位相段差にて波長の整数倍からのずれに相当する＋０．２波長分の位相差が収差として波面に付加される。ホログラム２１は、この位相段差によって発生する収差によって、基板２２０ａと基板２２０ｂとの基板厚の差分及び、第１のレーザ光と第２のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する球面収差を補正し、記録媒体２００ｂの記録層２１０ｂへ第２のレーザ光が集光する様に設計されている。
同様に、ホログラム２２を通過する第２のレーザ光については、位相段差にて０．６波長分の光路長差が生じるから、領域Ｂでは、主として回折効率が５７．３％の１次回折光が発生し、夫々の位相段差にて波長の整数倍からのずれに相当する−０．４波長分の位相差が収差として波面に付加される。この位相段差によって発生する収差によって、基板２２０ａと基板２２０ｂとの基板厚の差分及び、第１のレーザ光と第２のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する球面収差が補正され、記録媒体２００ｂの記録層２１０ｂへ第２のレーザ光が集光する様に設計されている。この様な、各ホログラムによって生じる第２のレーザ光の回折に基づいて、入射面１２における球面収差補正用ホログラム２０の巨視的な形状、即ち、前述の緩やかな非球面形状と、ホログラムを構成する位相段差の半径が決定されている。従って、球面収差補正用ホログラム２０は、第２のレーザ光に対して球面収差が補正される様に形成されている。
他方、第３のレーザ光が、球面収差補正用ホログラム２０に入射した場合、ホログラム２１を構成する位相段差では、第３のレーザ光の丁度１波長分の光路長差が生じるので、領域Ａでは、第３のレーザ光に対する如何なる波面補正も生じず、球面収差は補正されずに、この領域を通過する第３のレーザ光は記録媒体２００ｃの記録層２１０ｃへの集光には寄与しない。即ち、ホログラム２１によって、第３のレーザ光に対する開口制限が実現されている。
ホログラム２２では、第３のレーザ光に対し、０．５波長分の光路長差が生じるため、回折効率が約４０．５％の１次回折光が発生し、夫々の位相段差にて波長の整数倍からのずれに相当する−０．５波長分の位相差が収差として波面に付加される。従って、領域Ｂでは、この位相段差によって発生する収差によって、基板２２０ａと基板２２０ｃとの基板厚の差分及び、第１のレーザ光と第３のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する球面収差が一定量補正される。
ここで、ホログラム２２は、既に述べた様に、基板２２０ａと基板２２０ｂとの基板厚の差分及び、第１のレーザ光と第２のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する球面収差を補正する様に設計されている。この基板厚の差分は、「０．５ｍｍ」であるから、説明を簡略にするために、一時的に波長の差異に基づく収差を無視したとして、このホログラム２２で補正可能な収差は、この基板厚の差分０．５ｍｍに相当する球面収差である。基板２２０ａと基板２２０ｃとの基板厚の差分は、「１．１ｍｍ」であるから、約０．６ｍｍ分に相当する球面収差は、ホログラム２２でも補正されないことになる。即ち、ホログラム２２によって、基板２２０ａと基板２２０ｃとの基板厚の差分、及び第１のレーザ光と第３のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する球面収差は「一定量」補正されるのである。この補正しきれない部分は、光ピックアップ１００において、第３のレーザ光についてのみ拡散光とすることによって補正されており、従って、第３のレーザ光のみ有限系で使用されるのである。
ところで、一般に、対物レンズへの入射光が発散光もしくは集束光である場合は、レンズの取り付け誤差やトラッキングによりレンズが光軸からずれた場合に、収差が発生する。特に、基板厚の差分１．１ｍｍに相当する膨大な球面収差を、有限系にて補正する場合には、レンズに入射する第３のレーザ光の発散角をかなりきつくする必要がある。その結果、レンズが光軸からずれた場合に発生する収差も大きくなってしまうため、レンズの光軸ずれを小さく抑える必要があると考えられる。然るに、本実施例では、ホログラム２２により第３のレーザ光に対して一定量の球面収差が補正されているため、対物レンズに入射する第３のレーザ光の発散角は、ホログラムによる球面収差補正がない場合に比べて緩くすることが可能である。その結果、レンズの光軸ずれに伴い発生する収差を小さく抑えることが可能となる。つまり、第１のレーザ光の１次回折光の回折効率が最大となるように構成されたホログラム２２は、第３のレーザ光に対して一定量の球面収差補正効果を有しており、第３のレーザ光を有限系で使用した場合のレンズの光軸ずれの影響を緩和できるため好適である。
本発明に係る「補正する」とは、即ち、完全に補正することを意味するのみならず、何らの球面収差補正に係る対策を講じない場合と比較して、球面収差が少なくとも改善又は低減される作用を広く規定するものである。
＜光学素子１０の動作＞
以上の構成を有する光学素子１０の動作について、図５を参照して説明する。ここに、図５は、第１のレーザ光、第２のレーザ光、及び第３のレーザ光の集光の様子を例示する模式図である。尚、同図は、球面収差補正用ホログラム２０の効果を分かり易くするため、実際の集光軌跡とは若干異なった軌跡を示したものとなっている。
図５（ａ）には、第１のレーザ光の集光の様子が示される。第１のレーザ光については、球面収差補正用ホログラム２０において、如何なる開口制限も受けず、如何なる波面補正も受けないため、対物レンズ１２０に入射する光束は、全て記録媒体２００ａの記録層２１０ａに集光する。
図５（ｂ）には、第２のレーザ光の集光の様子が示される。第２のレーザ光については、球面収差補正用ホログラム２０の未形成領域を通過する光束は、基板２２０ａと基板２２０ｂとの層厚の差分、及び第１のレーザ光と第２のレーザ光との波長の差異によって生じる球面収差によって拡散され、集光に寄与しないが、球面収差補正用ホログラム２０を通過した光束は、ホログラム２１及びホログラム２２によって前述の波面補正効果を受けるため、記録媒体２００ｂの記録層２１０ｂに集光する。
図５（ｃ）には、第３のレーザ光の集光の様子が示される。第３のレーザ光については、球面収差補正用ホログラム２０の未形成領域を通過する光束は、基板２２０ａと基板２２０ｃとの層厚の差分、及び第１のレーザ光と第３のレーザ光との波長の差異によって生じる球面収差が、有限系による収差補正効果では補正しきれない為に拡散され、集光に寄与しない。更に、球面収差補正用ホログラム２０を通過する光束のうち、ホログラム２１を通過する光束は、波面補正効果を受けないため拡散され、集光に寄与しない。従って、結果的に、ホログラム２２を通過する光束のみが、記録媒体２００ｃの記録層２１０ｃに集光する。
以上説明した様に、本実施例に係る光学素子１０は、波長の異なる３種類のレーザ光を使用して情報の読み書きを行う３種類の記録媒体に対し、対物レンズ１２０を共有させることが可能である。従って、係る光学素子１０を搭載する光ピックアップ１００についても同様に対物レンズ１２０の共有が可能である。更には、係る光ピックアップ１００を備える光情報記録再生装置においても、係る効果が担保される。この様な光情報記録再生装置の一例としては、ＢＤ、ＤＶＤ及びＣＤの再生が可能な複合ドライブユニット等が挙げられる。
尚、上述した第１実施例のホログラム２１は第１のレーザ光に対して２次光の回折効率が最大となるように構成されていたが、それ以外の偶数次回折光の回折効率が最大となるように構成されていても同様の効果を得ることが可能である。即ち、第１のレーザ光に対して１波長分の光路長差を発生する位相段差は、第３のレーザ光に対して０．５波長分の光路長差を発生するから、第１のレーザ光で偶数波長分の光路長差を発生する位相段差は第３のレーザ光においても波長の整数倍の光路長差を発生することとなる。これにより、第１および第３のレーザ光の両方に対して波面の補正効果が無い様な設計が可能となる。
但し、この場合、第１のレーザ光に対して１０の倍数次数の回折光の回折効率が最大となるように構成すると、第２のレーザ光に対しても波面の補正効果が無くなってしまうため好ましくない。これは、第１のレーザ光で１０波長分の光路長差が発生する位相段差では、第２のレーザ光に対しても波長の整数倍である６波長分の光路長差が発生するからであり、従って、ホログラム２１は第１のレーザ光に対して１０の倍数を除く偶数次回折光の回折効率が最大となる様に構成されていればよい。
尚、ホログラムを構成する位相段差は、金型作製を容易にし、且つホログラム成型時の型離れを良くする目的から浅い方が好ましい。また、ホログラムは、回折効率が最大となる回折次数を高くする程、それを実現するための位相段差を深くする必要がある。係る事情に鑑みれば、上述の第１実施例の様に、第１のレーザ光に対して２次回折光の回折効率が最大となるようにホログラム２１が構成されるのが量産上好適である。
また、上述の第１実施例のホログラム２２は第１のレーザ光に対して１次回折光の回折効率が最大となるように構成されていたが、それ以外の奇数次回折光の回折効率が最大となるように構成されていてもよい。
但し、この場合、第１のレーザ光の５の倍数の次数の回折光の回折効率が最大となる様に位相段差が構成されると、第２のレーザ光に対しても波面の補正効果が無くなってしまうため好ましくない。これは、第１のレーザ光で５波長分の光路長差が発生する位相段差では、第２のレーザ光に対しても波長の整数倍である３波長分の光路長差が発生するからであり、従って、ホログラム２２は第１のレーザ光に対して５の倍数を除く奇数次回折光の回折効率が最大となる様に構成されていればよい。
尚、第１のレーザ光に対して１次光の回折効率が最大となるように構成された、上述した第１実施例のホログラム２２は、高次回折光の回折次数が最大となるように設計した場合に較べて位相段差が浅くなるため、既に述べたのと同様の理由から量産上好適である。
更に、上述した第１実施例のホログラム２１及びホログラム２２は、第１のレーザ光に対して丁度波長の整数倍の光路長差が発生するような位相段差で構成されていたが、これは第１のレーザ光の回折効率が１００％となるようにブレーズ化されたホログラムに相当し、本発明の光学素子設計の一例に過ぎない。ホログラムは、基材１１の屈折率、巨視的な非球面形状、及びホログラムを構成する各位相段差の半径に変化がなければ、所定の波長における所定次数の回折光に対する収差補正効果にも変化はなく、位相段差量のみを変化させた場合は、回折効率のみが変化する。従って、ホログラム２１およびホログラム２２においても、基材１１の屈折率、巨視的非球面形状および位相段差の半径を変化させずに、位相段差量を変えることにより、第１のレーザ光の回折効率を犠牲にして、第２のレーザ光や第３のレーザ光の回折効率を向上させることが可能である。例えば、第１のレーザ光に対して位相段差で１波長分の光路長差が発生する様にブレーズ化した上述第１実施例のホログラム２２では、第１のレーザ光の１次回折光の計算上の回折効率は１００％であるが、第２のレーザ光の１次回折光の回折効率は約５７．３％、第３のレーザ光の１次回折光の回折効率は約４０．５％となる。これに対して、第１のレーザ光に対して位相段差で１．２波長分の光路長差が発生する様にブレーズ化した場合は、第１のレーザ光の１次回折光の回折効率は約８７．５％に低下するものの、第２のレーザ光の１次回折光の回折効率は約７６．７％に、第３のレーザ光の回折効率は約５７．３％に向上する。このように、ホログラム２１及びホログラム２２を構成する位相段差は、第１のレーザ光で発生する光路長差が波長の整数倍となるものに限定されるわけではなく、異なる回折次数における、回折光の回折効率のバランスを適宜考慮して変更することが可能である。
また、球面収差補正用ホログラム２０の構成は上述した態様に限定されるものではなく、光学素子１０上に形成可能であって、上述した波面補正効果及び開口制限を実現可能な限り自由である。例えば、球面収差補正用ホログラム２０が、本実施例よりも多数の領域に分割され、夫々異なる位相段差が与えられていてもよい。また、本実施例と同様に２領域に分割される態様であっても、夫々の領域において回折効率が最大となる回折次数が異なっていてもよい。
また、入射面１２において球面収差補正用ホログラム２０が未形成の領域には、何も形成されていなくても、又は他のホログラムが形成されていてもよい。例えば、この未形成領域に、ホログラムとして、第１のレーザ光における１０次回折光が最大となるように、例えば、第１のレーザ光の１０波長分の光路長差を発生する位相段差が形成されていてもよい。この様な位相段差が形成された場合に発生する光路長差は、第２のレーザ光に対しては６波長分の光路長差、第３のレーザ光に対しては５波長分の光路長差となり、位相段差で分割された夫々の面が光軸に垂直な平面の場合は、何れのレーザ光に対しても波面の補正効果が生じない。従って、第２のレーザ光及び第３のレーザ光は、夫々第２の記録媒体及び第３の記録媒体の記録層に集光しない。この様に、球面収差補正用ホログラム２０の形成外領域に何らかのホログラムを形成する場合には、この領域を通過する第１のレーザ光に対して波面補正を生じさせない様にすると共に、第２のレーザ光及び第３のレーザ光が、不要な回折によって、対象とする記録層へ集光することがない様に形成するのが好適である。
尚、本実施例に示される概念を適用することにより、更に多数の記録媒体について、対物レンズを共有させることも容易に実現可能である。
＜変形例＞
＜光学素子の変形例＞
光学素子１０において、球面収差補正用ホログラム２０は２つの領域に分割されている。夫々の領域は、異なる位相段差を有しており、その境界面においては、例えば、レーザ光に微量の波長変動が生じた際に発生する収差（色収差と称する）が不連続となる場合がある。この様な場合には、通常の球面レンズでは補正が困難であるから、何らかの色収差補正手段が必要となる。この様な、本発明の変形例について、図６を参照して説明する。ここに、図６は、本発明の変形例に係る光学素子３０の断面図である。尚、図６において、図３と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
図６において、光学素子３０は、入射面１２の反対面、即ち、対物レンズ１２０と対向する面である出射面１３に、色収差補正用ホログラム３１を有する。この色収差補正用ホログラム３１は、球面収差補正用ホログラム２０と同様、輪帯状のホログラムであり、上述の色収差の少なくとも一部を補正可能な位相段差が階段状に形成されてなる。この様に、光学素子１０において未使用であった出射面に色収差補正用のホログラムを形成することによって、効率的な色収差の補正が可能である。このような色収差補正用ホログラムは、ホログラム２０とは別の部材としてもよいが、レンズの取り付け誤差やトラッキングによりホログラム２０が光軸からずれた場合に、不連続な色収差が残留してしまうため、図６のように色収差補正用ホログラムは、ホログラム２０と一体とするのが好適である。
また、この色収差補正用ホログラム３１と球面収差補正用ホログラム２０とを、入射面１２又は出射面１３に集約して形成することも可能である。
更に、この様にホログラムを集約する際、個々の位相段差の間隔が極端に狭いピッチとなってしまう場合には、該当する位相段差を平均化し、予め合成された位相段差として形成してもよい。
＜対物レンズの変形例＞
本実施例に係る球面収差補正用ホログラムは、予め対物レンズ１２０に直接形成されていてもよい。この様な対物レンズについて、図７を参照して説明する。ここに、図７は、対物レンズ１２１の断面図である。尚、図７において、図３と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
図７において、対物レンズ１２１は、記録媒体側のレンズ面１２２に、球面収差補正用ホログラム２０が合成されてなる。レンズ面１２２において、このホログラムが形成されている部分は、位相段差によって階段状となっている。この様に、対物レンズと球面収差補正用ホログラムを一体に形成すると、部品点数を大幅に減少させることができて効果的である。更に、前述の光学素子１０の変形例と同様に、色収差補正用ホログラムをこの対物レンズと一体化することも可能である。また、この様にホログラムが形成された対物レンズもまた、本発明に係る「光学素子」の範疇である。
尚、本発明は、上述した実施例に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光学素子、光ピックアップ、及び光情報記録再生装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
本発明に係る光学素子、光ピックアップ及び光情報記録再生装置は、例えば、レーザ光を用いて書き込みや読み取りを行う複数種類の記録媒体間で対物レンズを共有させ得る光学素子、光ピックアップ及び光情報記録再生装置に利用可能である。

Claims (11)

  1. 第１のレーザ光を厚さＤ１の透過保護層を介して受光する記録層を備える第１の記録媒体上に集光するための対物レンズを、前記第１のレーザ光とは波長の異なる複数のレーザ光及び該複数のレーザ光の夫々に対応する複数の記録媒体で共有するために、前記第１のレーザ光及び前記複数のレーザ光の光路上に設けられる光学素子であって、
    前記複数のレーザ光は、厚さＤ２（Ｄ２＞Ｄ１）の透過保護層を有する第２の記録媒体に対応する第２のレーザ光と、厚さＤ３（Ｄ３＞Ｄ２）の透過保護層を有する第３の記録媒体に対応すると共に有限系で使用される第３のレーザ光とを含んでなり、
    前記第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光が前記対物レンズに入射する際に必要とされる光束の有効径は、夫々Ｒ１、Ｒ２（Ｒ１＞Ｒ２）及びＲ３（Ｒ２＞Ｒ３）であり、
    当該光学素子の入射又は出射面における前記有効径Ｒ２に対応する領域に設けられており、前記透過保護層の厚さＤ１と前記透過保護層の厚さＤ２との差分、及び前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差を補正する第１の収差補正手段と、
    前記入射又は出射面における前記有効径Ｒ３に対応する領域に設けられており、前記透過保護層の厚さＤ１と前記透過保護層の厚さＤ２及びＤ３との差分、並びに前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光及び第３のレーザ光との波長の差異に基づいて発生する収差を補正する第２の収差補正手段と
    を具備することを特徴とする光学素子。
  2. 前記第１の収差補正手段及び前記第２の収差補正手段は、前記入射又は出射面における相異なる領域に作りこまれており、同心円状且つ輪帯状に形成されてなる
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子。
  3. 前記第１の収差補正手段は、前記入射又は出射面において、前記Ｒ２に対応付けられた外周径及び前記Ｒ３に対応付けられた内周径を有する輪帯状に形成されてなり、
    前記第２の収差補正手段は、前記入射又は出射面において、前記有効径Ｒ３に対応付けられた直径を有する円状に形成されてなる
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子。
  4. 前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光の波長範囲は、夫々４００〜４１０ｎｍ、６３５〜６７０ｎｍ、及び７８０〜８１０ｎｍである
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子。
  5. 前記第１の収差補正手段及び前記第２の収差補正手段は、前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光における波長に対応付けられた位相段差が複数形成されてなる回折パターンである
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子。
  6. 前記第１の収差補正手段は、前記第１のレーザ光における偶数（１０の倍数を除く）次回折光の回折効率が最大なる様に形成されており、前記第２の収差補正手段は、前記第１のレーザ光における奇数（５の倍数を除く）次回折光の回折効率が最大となる様に形成されている
    ことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光学素子。
  7. 前記偶数次回折光は２次回折光である
    ことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の光学素子。
  8. 前記奇数次回折光は１次回折光である
    ことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の光学素子。
  9. 前記光学素子は、前記対物レンズと一体として設けられる
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学素子。
  10. 請求の範囲第１項に記載の光学素子を具備することを特徴とする光ピックアップ。
  11. 請求の範囲第１０項に記載の光ピックアップを具備することを特徴とする光情報記録再生装置。
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