JPWO2007013346A1 - 光ヘッド及び光ディスク装置 - Google Patents

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Abstract

１つの対物レンズを用いて異なる種類の光ディスクに対する安定な互換再生および互換記録を可能にする小型で安価な光ヘッドを実現する。対物レンズを構成する回折素子による回折効率が最大になる回折光の次数を、回折素子の内周部で、青色光に対しては３次、赤色光に対しては２次、赤外光に対しては２次に設定し、中周部で、青色光に対しては６次、赤色光に対しては４次、赤外光に対しては３次に設定して、赤外光を開口制限し、外周部で、青色光に対して３の倍数以外の整数に設定することで、赤色光を開口制限する。

Description

本発明は、光ディスクなどの光情報記憶媒体に対して情報の記録、再生、または消去を行う光ヘッドと、該光ヘッドに用いる対物レンズと、前記光ヘッドを用いた光ディスク装置と、該光ディスク装置を適用したコンピュータおよび前記光ディスク装置を用いて光情報記憶媒体に対して映像／音声信号を記録および再生する光ディスクレコーダ等のシステムに関する。
光ディスクの第１世代といえるコンパクトディスク（以下、ＣＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．４５から０．５とし、波長７８０ｎｍの赤外光を用いて、保護層厚１．２ｍｍの光ディスクに対して情報を記録または再生（以下、記録／再生と記す）している。なお、本明細書中において、保護層とは光ディスクに光ビームが入射する面から情報記録面までの透明な媒体を指す。また、第２世代のデジタルバーサタイルディスク（以下、ＤＶＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．６とし、波長６５５ｎｍの赤色光を用いて、保護層厚０．６ｍｍの光ディスクに対して情報を記録／再生している。そして、第３世代のブルーレイディスク（以下、ＢＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．８５とし、波長４０５ｎｍの青色光を用いて、保護層厚０．１ｍｍの光ディスクに対して情報を記録／再生している。さらに、ＢＤとは別の規格である次世代ＤＶＤ（以下、ＨＤ−ＤＶＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．６５とし、波長４０５ｎｍの青色光を用いて、ＤＶＤと同じ保護層厚０．６ｍｍの光ディスクに対して情報を記録／再生している。
このように、第３世代の光ディスクに対して情報を記録／再生する光ディスク装置では、短波長の青色レーザ光源と、開口数の大きい光学系とを用いて、従来以上に高密度化を図っており、今後の拡大が期待されている。しかし、高密度光ディスクであるＢＤおよびＨＤ−ＤＶＤにおいても、ＤＶＤおよびＣＤで蓄積された資産の継承が望まれ、装置の大きさの観点からは、異なる光ディスクを、１つの光ヘッドにより記録／再生できる光ディスク装置が求められている。そのためには、保護層の厚みが異なる光ディスクに対して回折限界まで光ビームを絞ることのできる光ヘッドが必要になる。
従来より、異なる種類の光ディスクに対して、複数の波長の光ビームを用いて記録／再生することを目的とした構成が提案されている。この構成について、図２３および図２４を用いて説明する。
図２３は、第１の従来例としての光ヘッドの一例の概略構成を示す断面図である。図２３において、青色レーザ光源６１から出射した波長４０５ｎｍの光ビーム６３と、赤色レーザ光源６２から出射した波長６５５ｎｍの光ビーム６４が、コリメートレンズ６５により並行光に変換され、回折素子６６と屈折型レンズ６７により絞られて光ディスクに収束にする。回折素子６６は凸レンズ作用を持ち、波長４０５ｎｍの光に対しては、２次回折光を最も強く発生し、波長６５５ｎｍの光に対しては、１次回折光を最も強く発生するよう構成されている。波長４０５ｎｍの光ビーム６３は、回折素子６６で回折されて２次回折光となり、屈折型レンズ６７により保護層厚０．１ｍｍの光ディスク５１の情報記録面に収束する。また、波長６５５ｎｍの光ビーム６４は、回折素子６６で回折されて１次回折光となり、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束する。光ディスク５１、５２で反射した光は、光検出器６８で検出される。
図２４は、図２３に示す回折素子６６と屈折型レンズ６７の拡大断面図である。図２４に示すように、回折素子６６は、光ビーム６４の開口内の領域６６ａと、領域６６ａの外側の領域６６ｂとでは異なる構成を有する。領域６６ａは、屈折型レンズ６７を通して光ビーム６３の２次回折光が光ディスク５１に収束され、また光ビーム６４の１次回折光が光ディスク５２に収束されるように構成されている。また、領域６６ｂは、屈折型レンズ６７を通して光ビーム６３の２次回折光が光ディスク５１に収束され、また光ビーム６４の１次回折光が光ディスク５２に対して収差を持つように構成されている。このようにして、保護層の厚みの違いによる球面収差が補正される（たとえば、特許文献１参照）。
第２の従来例としては、回折素子と、２つの波長選択位相板と、対物レンズとを組み合わせ、３種類の光ディスクに対応する光ヘッドの構成が提案されている。この構成について、図２５を用いて説明する。
図２５は、第２の従来例としての光ヘッドの一例の概略構成を示す断面図である。図２５において、光学ユニット７０より出射した波長４０５ｎｍの青色光７１ａは、回折素子７２の回折と、凹レンズ７３の屈折によって略平行光となり、対物レンズ７７の色収差を補正して、保護層厚０．１ｍｍの光ディスク５１の情報記録面に収束する。また、光学ユニット７０より出射した波長６５５ｎｍの赤色光７１ｂは、回折素子７２の影響を受けずに、凹レンズ７３により発散光となり、波長選択位相板７５により位相を補正されて、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束する。さらに、光学ユニット７０より出射した波長７８０ｎｍの赤外光７１ｃは、回折素子７２の影響を受けずに、凹レンズ７３により発散光となり、波長選択位相板７６により位相を補正されて、保護層厚１．２ｍｍの光ディスク５３の情報記録面に収束する。光ディスク５１、５２、５３で反射した光は、逆の経路をたどって光学ユニット７０内の光検出器で検出される。
波長選択位相板７５には、波長６５５ｎｍの光ビームに対して位相差を発生させ、波長４０５ｎｍと７８０ｎｍの光ビームに対しては、各波長の略整数倍の位相差を発生させる、すなわち位相差がゼロとなるような段差形状（ｓｔｅｐ−ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する位相段差（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｐａｔｔｅｒｎ）７５ａが設けられている。このため、波長選択位相板７５は、光ビーム７１ａと７１ｃの位相分布には影響を与えない。また、波長選択位相板７６には、波長７８０ｎｍの光ビームに対して位相差を発生させ、波長４０５ｎｍと６５５ｎｍの光ビームに対しては、各波長の略整数倍の位相差を発生させる、すなわち位相差がゼロとなるような段差形状を有する位相段差７６ａが設けられている。このため、波長選択位相板７６は、光ビーム７１ａと７１ｂの位相分布には影響を与えない。
対物レンズ７７は、波長４０５ｎｍの青色光が平行で入射した時に、保護層厚０．１ｍｍのＢＤに収束されるように構成されており、保護層厚０．６ｍｍのＤＶＤに対して記録／再生を行う際は、厚みの違いによって球面収差が発生する。この球面収差は、凹レンズ７３と波長選択位相板７５とを用いて補正される。また、保護層厚１．２ｍｍのＣＤに対して記録／再生を行う際に発生する球面収差は、凹レンズ７３と波長選択位相板７６とを用いて補正される（たとえば、特許文献２参照）。
第３の従来例としては、複数の対物レンズを機械的に切り替えて、複数の光ディスクに対して記録／再生を行う構成が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
第４の従来例としては、ＨＤ−ＤＶＤに関して、異なる種類の光ディスクに対して記録／再生を行う構成が提案されている。この構成について、図２６および図２７を用いて説明する。
図２６は、第４の従来例としての光ヘッドの一例の概略構成を示す断面図である。図２６において、青色レーザ光源８０から出射した波長４０５ｎｍの光ビーム８３と、赤色レーザ光源８１から出射した波長６５５ｎｍの光ビーム８４と、赤外レーザ光源８２から出射した波長７８０ｎｍの光ビーム８５とが、回折素子８６ａを有する対物レンズ８６により絞られて、光ディスクに収束にする。
図２７は、図２６に示す対物レンズ８６の部分拡大断面図である。図２７に示すように、対物レンズ８６は、内周部８７と、中周部８８と、外周部８９とで異なる構成を有する。つまり、回折素子８６ａの内周部８７は、各波長の光に対して１次回折光を最も強く発生させ、中周部８８は、波長４０５ｎｍの光に対して３次回折光を最も強く発生させ、また波長６５５ｎｍの光に対して２次回折光を最も強く発生させ、外周部８９は、波長４０５ｎｍと波長６５５ｎｍの光に対して、回折が最大となる次数が異なるように構成されている。さらに、対物レンズ８６の屈折面は、上記の最も強くなる回折光が、各光ディスクに収束するように構成されており、内周部８７と、中周部８８と、外周部８９とで非球面係数はそれぞれ異なっている。
このようにして、対物レンズ８６は、光ビーム８３に対して回折素子８６ａの全周部により最も強く発生される回折次数の光を、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５４の情報記録面に収束し、光ビーム８４に対して回折素子８６ａの内周部８７と中周部８８により最も強く発生される回折次数の光を、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束し、光ビーム８５に対して回折素子８６ａの内周部８７により最も強く発生される回折次数の光を、保護層厚１．２ｍｍの光ディスク５３の情報記録面に収束する。このようにして、波長と保護層の厚みの違いに起因した球面収差が補正され、回折素子８６ａの各領域において回折次数を異ならせることにより、光ビーム８３に対する開口数をＮＡ１とし、光ビーム８４に対する開口数をＮＡ２とし、光ビーム８５に対する開口数をＮＡ３（ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３）とするように開口制限が行われる（たとえば、特許文献４参照）。
しかしながら、上記各従来例では、以下のような問題点がある。
第１の従来例では、１つの対物レンズによりＢＤとＤＶＤに対して記録／再生を行うことができるが、ＣＤに対して記録／再生を行うことはできない。波長４０５ｎｍの光については回折素子６６で発生する２次回折光を利用し、また波長６５５ｎｍの光については回折素子６６で発生する１次回折光を利用して、ＢＤとＤＶＤの保護層厚の差による球面収差を補正するため、波長７８０ｎｍの光を保護層厚１．２ｍｍのＣＤの情報記録面に最適に収束させることはできない。波長７８０ｎｍの光についても回折素子６６で１次回折光を発生するが、波長が４０５ｎｍの２倍に近いため、最適な保護層の厚みがＢＤの保護層の厚みに近くなってしまい、ＣＤに対する記録／再生を行うことができない。さらに、ＣＤの記録／再生を行う光に対する開口制限手段がなく開口数を０．４５に設定できない。つまり、この方式は、ＢＤとＤＶＤとの互換性に関するものであり、ＣＤの記録／再生に必要な光の波長を含めた３波長に対応するには新たな技術的手段が必要である。
第２の従来例では、回折素子と２つの波長選択位相板を用いて、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの記録／再生に対応しているが、回折素子と波長選択位相板は、３波長の波長選択性を持たせているため溝が深くなり、溝斜面の回折ロスと溝深さの誤差で光量ロスが増加する。特に、青色光を回折し、赤色光と赤外光を回折しない回折素子７２は、４ステップの鋸歯形状により構成され、総合段差が２０μｍを超えるような深さになる。このため、波長の１桁下の精度を要求される回折素子では、十分な製造精度が確保できない。また、ＤＶＤとＣＤの記録／再生を行う光に対する開口制限手段がなく、ＤＶＤに対する開口数を０．６に設定し、ＣＤに対する開口数を０．４５に設定するには、光学フィルター等が必要になる。この構成は、回折格子、凹レンズ、２つの波長選択位相板、対物レンズ、さらには光学フィルター等を用いる複雑な構成になる。このため、光ヘッドを駆動するアクチュエータの可動部の質量が増加し、フォーカスやトラッキングの高倍速駆動が困難になり、またコスト面でも不利になる。
第３の従来例では、対物レンズを切り替えているので、複数の対物レンズを要し、部品点数が多くなるとともに、光ヘッド装置の小型化が困難であるという問題がある。また、切り替え機構を要する点でも、さらに装置の小型化が困難となる。
第４の従来例では、回折素子により球面収差の補正と、開口制限とを行って、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの記録／再生に対応しているが、回折素子の回折次数を変えているため、波長が設計波長から変化すると、収束性能が劣化してしまう。回折素子の回折角は、回折次数が増え、波長が長くなるに従って大きくなり、回折格子のピッチが大きくなるに従って小さくなる。このため、回折素子内で、回折次数を変えた場合、波長の変化に対して、回折角の変化が領域ごとに異なって、光ビームを一点に収束できなくなる。波長の変化要因としては、光源の波長ばらつきと、温度依存性があり、波長ばらつきは、青色レーザ光源では±５ｎｍ程度、赤外レーザ光源では±１０ｎｍ程度あり、温度依存性は、各光源も±２ｎｍ程度ある。これらが、設計波長からの変化になる。
第４の従来例の構成では、回折素子の回折格子が内周部から中周部に変わるとき、光ビーム８３の回折次数は１次から３次に変わるので、中周部の回折格子のピッチを、１次回折光として設計したときの３倍に設定すれば、内周部と中周部の波長変化に対する回折角の変化は一定になる。しかし、光ビーム８４の回折次数は１次から２次になるため、中周部の回折格子のピッチは、１次回折光として設計したときの２倍に設定しないと、内周部と中周部の波長変化に対する回折角の変化は一定にならない。このため、両方の光ビームに対して、回折次数が変化したとき、回折角の変化を一定にすることはできず、波長が変化すると、光ビームを１点に収束することができなくなる。
これらのことから、保護層厚が０．１ｍｍ、０．６ｍｍおよび１．２ｍｍの光ディスクに対して、青色光、赤色光および赤外光の３波長を用いて記録／再生を行う実用的な互換光ヘッドは実現できていない。
特開２００４−１９２７８３号公報（第１２−１８頁、図１、２） 特開２００３−２８１７７５号公報（第６−１１頁、図１） 特開平１１−２９６８９０号公報（第４−６頁、図１） 特開２００４−３６２６２６号公報（第５−１４頁、図１、３）
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、その目的は、１つの対物レンズを用いて異なる種類の光ディスクに対する安定な互換再生および互換記録を可能にする小型で安価な光ヘッドを提供することである。
前記の目的を達成するため、本発明に係る光ヘッドは、第１、第２および第３の光源と、対物レンズと、光検出器とを少なくとも含む。前記第１の光源は波長λ１の光を出射し、前記第２の光源は波長λ２の光を出射し、前記第３の光源は波長λ３の光を出射する。前記対物レンズは、少なくとも回折素子と屈折型レンズから成り、第１の光ディスクに対しては前記波長λ１の光を開口数ＮＡ１で収束し、第２の光ディスクに対しては前記波長λ２の光を開口数ＮＡ２で収束し、第３の光ディスクに対しては前記波長λ３の光を開口数ＮＡ３で収束する。ここで、前記開口数ＮＡ１、ＮＡ２およびＮＡ３は、ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３の関係にある。前記回折素子は、開口数ＮＡ３に相当する領域にて、前記波長λ１の光に対して３次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ２の光に対して２次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ３の光に対して２次回折光を最も強く発生させる格子形状を有する回折格子から成る。また、前記回折素子は、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する領域にて、前記波長λ１の光に対して６次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ２の光に対して４次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ３の光に対して３次回折光を最も強く発生させる格子形状を有する回折格子から成る。さらに、前記回折素子は、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する領域にて、前記波長λ１の光に対してｍ次回折光を最も強く発生させる格子形状を有する回折格子から成る。
上記の構成によれば、回折素子と屈折型レンズから成る対物レンズを用い、回折素子により開口制限を受ける複数の領域で光の回折次数を変えたとしても、波長の変化に対する回折角の変化が一定になるように回折格子を構成し、波長の異なる光を保護層厚の異なる光ディスクに、それぞれに合った開口数で収束して、安定に情報を記録／再生することができる。これにより、光学フィルター等の開口制限手段なしに、１つの対物レンズを用いて、保護層厚の差に起因した球面収差を補正でき、種類の異なる光ディスクに対する安定な互換再生および互換記録を可能にする小型で安価な光ヘッドを実現できる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１における回折素子の平面（紙面上側）および断面（紙面下側）を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１における回折素子の物理的な断面形状（ＤＧ）、回折素子を透過する波長λ１、λ２、およびλ３の光の位相変化（ＰＣ（λ１）、ＰＣ（λ２）、およびＰＣ（λ３））を示す図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態１における回折格子の深さ（ｈ）に対する波長λ１の光の回折効率をプロットしたグラフである。 図５Ｂは、本発明の実施の形態１における回折格子の深さ（ｈ）に対する波長λ２の光の回折効率をプロットしたグラフである。 図５Ｃは、本発明の実施の形態１における回折格子の深さ（ｈ）に対する波長λ３の光の回折効率をプロットしたグラフである。 図６は、本発明の実施の形態１における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。 図７は、本発明の実施の形態１における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。 図８は、本発明の実施の形態２における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 図９は、本発明の実施の形態２における位相段差の一例を示す拡大断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態２における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態２における位相段差の変形例を示す拡大断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態２における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。 図１３は、本発明の実施の形態２における位相段差の他の変形例を示す拡大断面図である。 図１４は、本発明の実施の形態３に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。 図１５は、本発明の実施の形態３における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 図１６は、本発明の第３の実施形態における回折素子の平面（上側）および断面（下側）を示す図である。 図１７は、本発明の実施の形態３における回折レンズとコリメートレンズを伝搬する光ビームの様子を示す図である。 図１８は、本発明の実施の形態３における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。 図１９は、本発明の実施の形態３における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。 図２０は、本発明の実施の形態４に係る光ディスク装置の概略構成を示す断面図である。 図２１は、本発明の実施の形態５に係るコンピュータの概略構成を示す斜視図である。 図２２は、本発明の実施の形態６に係る光ディスクレコーダの概略構成を示す斜視図である。 図２３は、第１の従来例の光ヘッド装置の一例の概略構成を示す断面図である。 図２４は、第１の従来例の光ヘッド装置における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 図２５は、第２の従来例の光ヘッド装置の一例の概略構成を示す断面図である。 図２６は、第４の従来例の光ヘッド装置の一例の概略構成を示す断面図である。 図２７は、第４の従来例の光ヘッド装置における回折素子の部分拡大断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。図１において、１は波長λ１（略４０５ｎｍ）の光を出射する青色レーザ光源を示し、２は波長λ２（略６５５ｎｍ）の光を出射する赤色レーザ光源、３は波長λ３（略７８０ｎｍ）の光を出射する赤外レーザ光源を示す。１０はコリメートレンズ、１４は対物レンズを示し、対物レンズ１４は、回折素子１２と屈折型レンズ１３により構成されている。５１は保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクを示し、波長λ１の光ビームによって、開口数ＮＡ１で記録／再生される光情報媒体、例えばＢＤ用の光ディスクである。５２は保護層厚ｔ２が約０．６ｍｍの光ディスクを示し、波長λ２の光ビームによって、開口数ＮＡ２で記録／再生される光情報媒体、例えばＤＶＤ用の光ディスクである。５３は保護層厚ｔ３が約１．２ｍｍの光ディスクを示し、波長λ３の光ビームによって、開口数ＮＡ３で記録／再生される光情報媒体、例えばＣＤ用の光ディスクである。これらの光ディスクにおける開口数はＮＡ１が０．８５、ＮＡ２が０．６、ＮＡ３が０．４５から０．５である。図１では、光ディスク５１（実線）、５２（破線）５３（一点鎖線）は、光ビームが入射する面から情報記録面までの保護層のみを示している。実際には、光ディスク５１、５２については、機械的強度を確保し、外形をＣＤと同じ１．２ｍｍにするため、基材を張り合わせている。光ディスク５２は、厚み０．６ｍｍの基材を張り合わせ、光ディスク５１は、厚み１．１ｍｍの基材を張り合わせているが、図１では、例示の明瞭化のため、基材は省略している。
記録密度の高い光ディスク５１の記録／再生を行う際には、青色レーザ光源１から出射した波長λ１の光ビーム４がプリズム７、プリズム８を透過して、ビームスプリッター９に入射する。プリズム７は、波長λ１の光を透過し、波長λ２の光を反射するよう構成され、プリズム８は、波長λ１とλ２の光を透過し、波長λ３の光を反射するよう構成されている。また、ビームスプリッター９は、波長λ１、λ２の光に対しては、一方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する偏光分離特性を持ち、波長λ３の光に対しては、一部の光を透過し、一部の光を反射するハーフミラー特性を持った光路分岐素子として機能する。
青色レーザ光源１から出射した光ビーム４の偏光方向は、ビームスプリッター９で反射するよう設定されており、ここを反射した光ビーム４は、コリメートレンズ１０より集光され略平行光になり、波長板１１により直線偏光から円偏光に変換される。波長板１１は、波長λ１、λ２の光に対しては、１／４波長板として作用し、波長λ３の光に対しては、波長板として作用しないよう構成されている。さらに光ビーム４は、回折素子１２と屈折型レンズ１３からなる対物レンズ１４によって絞られ、保護層厚ｔ１を通して光ディスク５１の情報記録面に収束する。
光ディスク５１の情報記録面で反射した光ビーム４は、もとの光路を逆にたどって、波長板１１により往路とは直角方向の直線偏光に変換されて、ビームスプリッター９を透過する。コリメートレンズ１０により収束光となった光ビーム４は、ビームスプリッター９を透過することにより非点収差が与えられ、検出レンズ１５により光学倍率が変換されて、光検出器１６に入射する。光検出器１６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。フォーカス誤差信号は、例えば非点収差法により、またトラッキング誤差信号は、例えばプッシュプル法により得ることができる。
次に、光ディスク５２の記録／再生を行う際には、赤色レーザ光源２から出射した波長λ２の光ビーム５がプリズム７で反射し、プリズム８を透過して、ビームスプリッター９に入射する。赤色レーザ光源２から出射した光ビーム５の偏光方向は、ビームスプリッター９で反射するよう設定されており、ここを反射した光ビーム５は、コリメートレンズ１０より集光され略平行光になり、波長板１１により直線偏光から円偏光に変換される。さらに光ビーム５は、回折素子１２と屈折型レンズ１３からなる対物レンズ１４によって絞られ、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の情報記録面に収束する。
光ディスク５２の情報記録面で反射した光ビーム５は、もとの光路を逆にたどって、波長板１１により往路とは直角方向の直線偏光に変換されて、ビームスプリッター９を透過する。コリメートレンズ１０により収束光となった光ビーム５は、ビームスプリッター９を透過することにより非点収差が与えられ、検出レンズ１５により光学倍率が変換されて、光検出器１６に入射する。光検出器１６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
次に、光ディスク５３の記録／再生を行う際には、赤外レーザ光源３から出射した波長λ３の光ビーム６がプリズム８で反射されて、ビームスプリッター９に入射する。赤外レーザ光源３から出射した光ビーム６の一部はビームスプリッター９で反射して、コリメートレンズ１０より集光され略平行光になり、波長板１１を透過する。さらに光ビーム６は、回折素子１２と屈折型レンズ１３からなる対物レンズ１４によって絞られ、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の情報記録面に収束する。
光ディスク５３の情報記録面で反射した光ビーム６は、もとの光路を逆にたどって、波長板１１、コリメートレンズ１０を通り、ビームスプリッター９により一部の光ビーム６を透過する。コリメートレンズ１０により収束光となった光ビーム６は、ビームスプリッター９を透過することにより非点収差が与えられ、検出レンズ１５により光学倍率が変換されて、光検出器１６に入射する。光検出器１６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
ここで、ＣＤ用の光ディスク５３には複屈折の大きなものがあり、光ビーム４、５のように、偏光分離による光路分岐を行うと、光検出器１６に光が伝搬しないことがある。このため、光ビーム６については、偏光方向によらず、一定の光を反射し、一定の光を透過するハーフミラー特性により光路分岐を行うことが望ましい。
次に、図２から図５を用いて、回折素子１２および屈折型レンズ１３の働きと構成を説明する。図２は、本発明の実施の形態１における対物レンズ１４の一例を示す拡大断面図であり、対物レンズ１４を構成する回折素子１２と屈折型レンズ１３により収束する光の伝搬を示す。図２において、回折素子１２は、光ビーム４、５、６を回折して、凸レンズ作用を及ぼす。屈折型レンズ１３は、回折素子１２によって回折作用を受けた光ビーム４を、保護層厚ｔ１を通して光ディスク５１の記録面上へ収束し、波長の違いによる回折作用の差を利用して、光ビーム５を、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の記録面上へ収束し、光ビーム６を、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の記録面上へ収束するように構成されている。
図２において、光ビーム４は実線で示す光路を伝搬して点Ｑ１に収束し、光ビーム５は破線で示す光路を伝搬して点Ｑ２に収束し、光ビーム６は一点鎖線で示す光路を伝搬して点Ｑ３に収束する。このように、光ビーム４、５、６は回折素子１２により波面変換され、保護層厚の差による球面収差が補正される。
回折素子１２により回折する光の回折角θは、回折格子のピッチが大きくなるにつれて小さくなり、また波長が長くなり、回折次数が増えるにつれて大きくなる。さらに、前記回折次数は回折格子の深さが増すにつれて大きくなる。本発明の実施の形態は、回折次数と、回折格子のピッチとを利用して、保護層厚の差による球面収差を補正し、波長λ２の光を開口数ＮＡ２に、また波長λ３の光を開口数ＮＡ３に開口制限し、波長が変化しても、光ビーム４、５、６の収束位置にずれが生じないように構成したものである。
図３は、回折素子１２の平面（紙面上側）および断面（紙面下側）を示す図である。図３に示すように、回折素子１２の回折格子は同心円状をなし、内周部１２ａと、中周部１２ｂと、外周部１２ｃとで構成が異なっている。
回折素子１２の内周部１２ａは、開口数ＮＡ３に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム４に対しては３次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム５に対しては２次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム６に対しては２次回折光を最も強く発生する格子形状を有する。そして、光ビーム４の３次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５１に収束され、光ビーム５の２次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５２に収束され、光ビーム６の２次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５３に収束される。
回折素子１２の中周部１２ｂは、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム４に対しては６次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム５に対しては４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム６に対しては３次回折光を最も強く発生して４次回折光はほとんど発生しない格子形状を有する。そして、光ビーム４の６次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５１に収束され、光ビーム５の４次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５２に収束される。
回折素子１２の外周部１２ｃは、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム４に対して、ｍ（ｍは３の倍数以外の整数で、例えば２）次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、この２次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５１に収束される。
上記の回折素子１２の働きについて、図４、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを用いて詳しく説明する。図４は、回折素子１２を構成する回折格子の物理的な断面形状および各波長に対する位相変化を示す図である。図４において、ＤＧは回折格子の物理的な断面形状、ＰＣ（λ１）は回折格子を透過する波長λ１の光の位相変化、ＰＣ（λ２）は回折格子を透過する波長λ２の光の位相変化、ＰＣ（λ３）は回折格子を透過する波長λ３の光の位相変化を示している。物理的な断面形状ＤＧは、内周部１２ａと中周部１２ｂとの境界領域を例示しており、特定の回折光を効率よく発生させるため、回折格子は鋸歯状の断面形状を有する。
図５Ａ〜図５Ｃは、回折素子１２の材料を、例えばホウケイ酸クラウンガラス（ＢＫ７）としたときの、鋸歯状格子の深さｈに対する回折効率ＤＥを示すグラフである。図５Ａは、波長λ１の光に対する回折格子の深さｈと回折効率ＤＥ（λ１）を、図５Ｂは、波長λ２の光に対する回折格子の深さｈと回折効率ＤＥ（λ２）を、図５Ｃは、波長λ３の光に対する回折格子の深さｈと回折効率ＤＥ（λ３）を示している。ここで、光路長の差を、回折格子の段差の有無によって生じる光路長の差とであると規定した場合、波長λに対する屈折率をｎとして、この光路長の差Ｌは、段差の深さｈと、媒質と空気との屈折率の差（ｎ−１）との積として以下のように表わされる。
Ｌ＝ｈ×（ｎ-１）
この、光路長の差Ｌが波長のｋ倍であるとした場合、深さｈは、
ｈ＝ｋ×λ／（ｎ-１） ・・・（式１）
で表される。
内周部１２ａにおいて、図４に示すように、回折格子の深さｈ１は、例えば２．３８μｍに設定される。波長λ１が４０５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ１は１．５３０２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ１、λ１、ｎ１を代入すると、ｋは３．１２になるので、段差ｈ１により光ビーム４に発生する光路長の差は、約３．１２波長、すなわち位相差が約６．２３πラジアンになる。よって、光ビーム４は３次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ１）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ１）は、図５Ａに示すように、スカラー計算上約９６％となる。
また、波長λ２が６５５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ２は、１．５１４４であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ１、λ２、ｎ２を代入すると、ｋは１．８７になるので、段差ｈ１により光ビーム５に発生する光路長の差は、約１．８７波長、すなわち位相差が約３．７４πラジアンになる。よって、光ビーム５は２次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ２）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ２）は、図５Ｂに示すように、スカラー計算上約９４％となる。
さらに、波長λ３が７８０ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ３は、１．５１１２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ１、λ３、ｎ３を代入すると、ｋ３は１．５６になるので、段差ｈ１により光ビーム５に発生する光路長の差は、約１．５６波長、すなわち位相差が約３．１２πラジアンになる。よって、光ビーム６は２次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ３）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ３）は、図５Ｃに示すように、スカラー計算上約５０％となる。
次に、回折素子１２の中周部１２ｂにて、図４に示すように、回折格子の深さｈ２は、例えば内周部１２ａの回折格子の深さｈ１の２倍である４．７６μｍに設定される。波長λ１が４０５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ１は１．５３０２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ２、λ１、ｎ１を代入すると、段差ｈ２により光ビーム４に発生する光路長の差は、約６．２３波長、すなわち位相差が約１２．４６πラジアンになる。よって、光ビーム４は６次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ１）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ１）は、図５Ａに示すように、スカラー計算上約８２％となる。
また、波長λ２が６５５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ２は、１．５１４４であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ２、λ２、ｎ２を代入すると、段差ｈ２により光ビーム５に発生する光路長の差は、約３．７４波長、すなわち位相差が約７．４８πラジアンになる。よって、光ビーム５は４次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ２）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ２）は、図５Ｂに示すように、スカラー計算上約８２％となる。
さらに、波長λ３が７８０ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ３は、１．５１１２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ２、λ３、ｎ３を代入すると、段差ｈ２により光ビーム６に発生する光路長の差は、約３．１２波長になる。よって、この形状により光ビーム６は３次回折光の強度が最大となり、回折効率ＤＥ（λ３）は、図５Ｃに示すように、スカラー計算上９５％となる。このため、光ビーム６について４次回折光はほとんど発生せず、位相変化は、図４のＰＣ（λ３）で示すようになる。
以上のように、回折素子１２は、回折格子の深さを変えることにより、回折次数を変えることができる。ところで、ｑを回折次数とすると、回折角θは、以下のようになる。
ｓｉｎθ＝ｑ×λ／Ｐ ・・・（式２）
つまり、回折次数ｑが大きくなると、波長λが変化したときの回折角θの変化も大きくなり、波長λが変化すると、光ディスクに収束する光の位置にずれが発生する。本発明の実施の形態では、回折格子のピッチＰを、このずれが発生しないように設定しており、波長λの変化に対する回折角θの変化を一定にしている。
中周部１２ｂでは、回折格子の深さｈ２が、内周部１２ａの回折格子の深さｈ１の２倍になる。このため、光ディスク５１に収束する光ビーム４は、内周部１２ａから中周部１２ｂにかけて、３次回折光から６次回折光へと、回折次数が２倍に変化するが、中周部１２ｂの回折格子のピッチＰ２を、３次回折光として設計したときの２倍に設定することにより、上記（式２）の回折角θは、３次回折光として設計したことと同等になるため、波長の変化に対する回折角の変化は、内周部１２ａでのそれと同じになる。
また、光ディスク５２に収束する光ビーム５は、内周部１２ａから中周部１２ｂにかけて、２次回折光から４次回折光へと、回折次数が２倍に変化するが、回折格子のピッチＰ２は、２次回折光として設計したときの２倍になり、回折角θは、２次回折光として設計したことと同等になるため、波長の変化に対する回折角の変化は、内周部１２ａでのそれと同じになる。
この様子について、図４のＤＧにおける内周部１２ａと中周部１２ｂとの境界領域で説明する。中周部１２ｂでは、回折格子の深さがｈ１からｈ２へ２倍になり、回折格子のピッチＰは光ビーム４の３次回折光として設計したときの２倍になっている。ここで、ピッチＰ２を隣り合う回折格子のピッチＰ１の２倍にすると、回折角θは同じになり、光ビーム４の波長λ１が変化しても、回折角は同じように変化し、回折光を１点に収束させることができる。
また、中周部１２ｂでの回折格子のピッチＰ２は光ビーム５の２次回折光として設計したときの２倍でもあり、光ビーム５の波長λ２が変化しても、回折角は同じように変化し、回折光を１点に収束させることができる。実際には回折素子１２の回折角θは一定ではなく、凸レンズ作用を持つように連続的に変化しているため、ピッチＰも連続的に変化しているが、この境界領域の隣り合う回折格子のピッチＰ２はＰ１の略２倍程度になる。
一方、波長λ３の光ビーム６は、中周部１２ｂで回折格子の深さｈ２が４．７６μｍになると、図５Ｃに示すように、４次回折光をほとんど発生せず、３次回折光になってしまう。３次回折光の次数は、内周部１２ａでの３／２倍であり、ピッチＰは２次回折光として設計したときの２倍になるため、上記（式２）より回折角θは小さくなり、中周部１２ｂで回折した光ビーム６は、内周部１２ａで回折した光ビーム６と同じ位置には収束しない。つまり、中周部１２ｂで回折した光ビーム６は光ディスク５３に収束せず、開口制限することができ、内周部１２ａを開口数ＮＡ３に相当する大きさに設定することにより、光ビーム６は開口数ＮＡ３で光ディスク５３に収束することになる。
次に、回折素子１２の外周部１２ｃにおいて、回折格子の深さｈ３は、内周部での回折格子の深さｈ１のｍ／３倍、例えば２／３倍である１．５９μｍに設定される。波長λ１が４０５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ１は１．５３０２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ３、λ１、ｎ１を代入すると、段差ｈ３により光ビーム４に発生する光路長の差は、約２．０８波長、すなわち位相差が約４．１６πラジアンになる。よって、光ビーム４の２次回折光の強度が最大となり、回折効率は、図５Ａに示すように、スカラー計算上約９９％となる。
このように、外周部１２ｃでは、回折格子の深さｈ３を、内周部１２ａでの回折格子の深さｈ１の２／３倍にすることにより、光ディスク５１に収束する光ビーム４は、内周部１２ａに対して、３次回折光から２次回折光へ、回折次数が２／３倍に変化する。前記同様、回折次数が変わっても、波長の変化に対する回折角の変化が一定になるよう、外周部１２ｃの回折格子のピッチＰを、３次回折光として設計したときの２／３倍に設定する。これにより、上記（式２）の回折角θは、３次回折光として設計したことと同等になり、波長の変化に対する回折角の変化は、内周部１２ａのそれと同じになる。よって、波長の変化に対する回折角の変化が一定になり、光ディスクに収束する光の位置にずれは発生しない。
一方、波長λ２の光ビーム５と、波長λ３の光ビーム６については、外周部１２ｃでの回折格子の深さｈ３が、内周部１２ａでの回折格子の深さｈ１の２／３になると、２次回折の２／３に対応する次数がないため、内周部１２ａでの回折光と同じ位置に収束する回折光が存在しなくなり、開口制限することができる。よって、中周部１２ｂを開口数ＮＡ２に相当する大きさにすることにより、光ビーム５は開口数ＮＡ２で光ディスク５２に収束することになる。光ビーム６も同様に、光ディスク５３に収束する回折光が無くなり、この外周部１２ｃにおいても開口制限することができる。
このように、波長λ１の光ビーム４は、回折素子１２の内周部１２ａ、中周部１２ｂ、および外周部１２ｃにて、それぞれ３次、６次、および２次回折光を光ディスク５１に収束させるために、最も大きい開口数ＮＡ１に設定される。波長λ２の光ビーム５は、内周部１２ａおよび中周部１２ｂにて、それぞれ２次、４次回折光を光ディスク５２に収束させて、外周部１２ｃからの回折光を光ディスク５２に収束させないために、開口数ＮＡ２に設定される。波長λ３の光ビーム６は、内周部１２ａからの２次回折光を光ディスク５３に収束させて、中周部１２ｂでの４次回折光の発生を抑え、外周部１２ｃからの回折光を光ディスク５３に収束させないために、開口数ＮＡ３に設定される。これにより、各光ディスクに対して最適な開口数の関係、すなわちＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３を実現できる。
以上の説明では、回折素子１２の外周部１２ｃにて、波長λ１の光ビーム４の２次回折光を利用したが、他の回折次数も利用することができる。この領域における光ビーム４の回折次数をｍとした場合、内周部１２ａの回折次数との比であるｍ／３が整数にならなければ、光ビーム５も光ビーム６も、内周部１２ａおよび中周部１２ｂの回折光とは異なる位置に収束する。つまり、回折次数ｍを３の倍数以外の整数に設定すれば、光ビーム５は光ディスク５２に収束する回折光が無くなり、光ビーム６は光ディスク５３に収束する回折光が無くなるため、開口制限することができる。
上記の構成では、光ビーム４、５、６は、いずれも回折素子１２によって波面変換される。したがって、回折素子１２と屈折型レンズ１３の相対位置に誤差があると、設計通りの波面が屈折型レンズ１３に入射せず、光ディスク５１、５２、５３へ入射する光の波面に収差が生じ、収束性能を劣化させる。このため、回折素子１２を屈折型レンズ１３と一体に形成することが望ましい。
図６は、本発明の実施の形態１における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。図６において、対物レンズ１４１を構成する屈折型レンズ１３１の表面に回折素子１２１が形成されている。回折素子１２１は、図２に示す回折素子１２と同じ働きをするものである。つまり、回折素子１２１の開口数ＮＡ３に相当する内周部の領域では、光ビーム４の３次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の２次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の２次回折光が保護層厚ｔ３の光ディスク５３に収束する。
また、回折素子１２１の開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する中周部の領域では、光ビーム４の６次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の４次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の４次回折光はほとんど発生せず、開口数ＮＡ３に開口制限される。
さらに、回折素子１２１の開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する外周部の領域では、ｍを３の倍数以外の整数とした場合、光ビーム４のｍ次回折光を保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５、６の回折光を、それぞれ光ディスク５２、５３に収束させないよう、開口素子１２１と屈折型レンズ１３１が構成される。
図２に示す対物レンズ１４の構成では、平面上に回折素子１２を形成し、凸レンズ作用を持たせたため、軸外性能が劣化するが、図６に示す対物レンズ１４１の構成のように、屈折型レンズ１３１の表面に回折素子１２１を形成することにより、軸外性能も良好になる。よって、回折素子と屈折型レンズの位置ずれがなく、軸外性能の良い、対物レンズを得ることができる。
また、図２に示す対物レンズ１４の構成は、回折素子１２に凸レンズ作用を持たせることにより、屈折型レンズ１３の色収差と、回折素子１２の色収差を相殺している。この色収差は、波長が設計波長から変化したときの、焦点距離の変化である。例えば、波長λ１がΔλ１だけ長くなると、屈折型レンズ１３の屈折率はΔｎ１だけ小さくなり、若干凸レンズ作用が小さくなるが、凸レンズ作用を持つ回折素子１２は、波長がΔλ１だけ長くなると、回折角はΔθだけ大きくなり、若干凸レンズ作用が大きくなって、波長の変化に対する焦点距離の変化を抑えることができる。
一方、光ディスク５１に光ビームを収束させる対物レンズ１４は、開口数ＮＡが大きく、光ディスク５３のみに光ビームを収束させる対物レンズに比べて作動距離が短くなる。このため、回折素子１２に凸レンズ作用を持たせると、保護層が厚い光ディスク５３に対して、作動距離を確保しづらくなる。図２の構成では、焦点距離を長くして、対物レンズ１４の作動距離を拡大しているが、焦点距離を長くすると、光ビーム径が大きくなり、光ヘッドの小型化には不利になる。これに対応するための構成を図７に示す。
図７は、本発明の実施の形態１における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。図７において、対物レンズ１４２は、回折素子１２２と屈折型レンズ１３２から成り、回折素子１２２に凹レンズ作用を持たせるよう構成される。回折素子１２２に凹レンズ作用を持たせた場合、前記色収差が発生し、波長の変化により焦点距離が変化するが、他の手段で補正することが可能である。例えば、コリメートレンズ１０（図１）の表面に回折素子を形成することにより、前記色収差を低減することができる。
図７において、回折素子１２２は、回折素子１２と同様に、内周部、中周部、および外周部にて、それぞれ回折格子の構成を変え、波長λ３、λ２の光を開口制限できるように成っており、凹レンズ作用を持たせることによって、光ディスク５３の記録／再生を行う場合の、光ビーム６の収束位置が、屈折型レンズ１３２から、より遠くに離れることになり、作動距離を拡大することができる。また、図６の構成のように、回折素子１２２を、屈折型レンズ１３２の表面に形成することにより、回折素子と屈折型レンズとの位置ずれがなく、軸外性能の良い、対物レンズを得ることができる。
なお、本実施の形態では、図１において、３ビーム用回折格子を光源からからビームスプリッター９までの間に配置することにより、光ディスク５１、５２、５３のトラッキング誤差信号を、よく知られたディファレンシャルプッシュプル（ＤＰＰ）法によって得ることも可能である。
また、コリメートレンズ１０を光軸方向（図１の左右方向）へ動かすことにより、光ビームのコリメート度合いを変化させることができる。光ディスク５１では、保護層の厚み誤差や、２層ディスクの層間厚みに起因して、従来の光ディスク以上に球面収差が発生するが、コリメートレンズ１０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。コリメートレンズ１０を動かすことによる球面収差の補正は、開口数ＮＡが０．８５である場合、±３０μｍ程度の保護層厚さを補正することができる。しかし、保護層厚０．１ｍｍに対応した対物レンズ１４を用いて、ＤＶＤの記録／再生を行う際には保護層差を０．５ｍｍ以上補償する必要があり、コリメートレンズ１０の移動だけでは、球面収差の補正能力が不足するため、本実施の形態のような波面変換が必要となる。
さらに、本実施の形態では、一例としてＢＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換について例示および説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ＨＤ−ＤＶＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換に対しても同様に適用できるものである。すなわち、保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．８５で記録／再生を行う例について説明したが、ＨＤ−ＤＶＤとの互換は、保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．６５で記録／再生を行うことにより実現できる。
以上のように、実施の形態１によれば、複数種の光ディスクに対して保護層厚の差による球面収差を補正し、各光ディスクに対応した開口数に設定することができる。また、対物レンズを１つの成形レンズで構成することも可能であり、安価で安定した収束性能を得ることができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態１の説明で用いた図２では、回折素子に凸レンズ作用を持たせることにより、色収差とりわけ焦点距離の波長依存性を相殺したが、波長の差を利用して、保護層の異なる光ディスクの球面収差を補正する構成であるため、波長が設計波長からずれると、球面収差が発生してしまう。
この球面収差を補正するための構成について、図８および図９を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態２における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。図８において、本実施の形態の対物レンズ１４３は、回折素子１２３と屈折型レンズ１３３から成り、実施の形態１の屈折型レンズ１３を屈折型レンズ１３３に変更した構成を有する。屈折型レンズ１３３には、入射光に位相差を生じさせる段差形状（ｓｔｅｐ−ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する位相段差（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｐａｔｔｅｒｎ）１３３ａが設けられている。図８において、位相段差１３３ａは光ディスクに対向しない屈折型レンズ１３３の表面に形成されている。このように、位相段差１３３ａを屈折型レンズ１３３と一体に形成することにより、屈折型レンズ１３３と位相段差１３３ａとの相対位置誤差を無くすことができる。
図９は、図８に示す位相段差１３３ａの部分拡大断面図である。図９において、位相段差１３３ａは、高さｈａの段差を複数有する。段差の高さｈａは、波長λ１の１０倍の光路長の差、言い換えると２０πラジアンの位相差を生じさせるように設定されている。つまり、位相段差１３３ａを形成する基材の、波長λ１に対する屈折率をｎ１とした場合、下記（式３）を満足するように段差の高さｈａが決定される。
ｈａ＝１０×λ１／（ｎ１−１） ・・・（式３）
例えば、前記基材をＢＫ７とし、波長λ１を４０５ｎｍとすると、屈折率ｎ１は１．５３０２になり、上記（式３）より、段差の高さｈａは７．６３９μｍとなる。
この高さｈａの段差に、波長λの光が入射する場合、波長λに対する光路長の差を波長のｋ倍とすると、
１０×λ１／（ｎ１−１）＝ｋ×λ／（ｎ−１） ・・・（式４）
が成り立つ。高さｈａの段差に波長λ２として６５５ｎｍの光が入射する場合、波長λ２の光に対するＢＫ７の屈折率ｎ２は１．５１４４であるので、上記（式４）のλ、ｎにλ２、ｎ２を代入すると、ｋは６．０となり、光路長の差は波長の６倍となる。すなわち、波長λ１の光に対して波長の１０倍の光路長の差を生じさせる段差は、波長λ２の光に対しては波長の６倍の光路長の差を生じさせることになる。
また、高さｈａの段差に波長λ３として７８０ｎｍの光が入射する場合、波長λ３の光に対するＢＫ７の屈折率は１．５１１２であるので、上記（式４）のλ、ｎにλ３、ｎ３を代入すると、ｋは５．０となり、光路長の差は波長の５倍となる。すなわち、波長λ１の光に対して波長の１０倍の光路長の差を生じさせる段差は、波長λ３の光に対しては波長の５倍の光路長の差を生じさせることになる。
波長の整数倍の光路長の差が生じる位相変化は、２πラジアンの整数倍であり、実質的には位相差を生じない。したがって、波長λ１、λ２、λ３の設計波長に対しては、波面の変化が生じない。そして、レーザ光源の波長ばらつき等により、設計波長から数ｎｍ程度の波長変化が起こると、光路長の差が波長の整数倍からずれるため、位相変化が生じる。位相段差は、図８に示すように基材の内部へと堀込んで形成することも、逆に、基材の外側へと盛り上げて形成することもできるので、波長ずれに対する位相変化の方向も自由に設定できる。例えば、波長λ１の光であれば、波長１ｎｍの変化に対する位相変化ΔΦ１は、
ΔΦ１＝２０π／４０５＝０．０４９π（ラジアン）
である。レンズや回折素子によって生じる波長１ｎｍあたりの位相変化が、０．０４９πラジアンになる位置ごとに、高さｈａの段差を積み重ねて形成することによって、波長変化による収差を補正することができる。また、波長λ２の光に対しては、波長１ｎｍの変化に対する位相変化ΔΦ２は、
ΔΦ２＝１２π／６５５＝０．０１８π（ラジアン）
である。さらに、波長λ３の光に対しては、波長１ｎｍの変化に対する位相変化ΔΦ３は、
ΔΦ３＝１０π／７８０＝０．０１３π（ラジアン）
である。波長λ１の光に比べて波長λ２、λ３の光では、位相変化が小さいが、レンズや回折素子によって生じる波長１ｎｍ変化あたりの収差も小さいので問題はない。
位相段差１３３ａは高さｈａを１単位とするが、その整数倍（２倍、３倍・・・）を１単位としても設計波長に対して波面変化を与えず、それぞれからの波長変化に対してのみ波面を変化させることができる。
また、保護層厚の補正は、実施の形態１と同様に、回折素子１２３の開口数ＮＡ３に相当する内周部では、光ビーム４の３次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の２次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の２次回折光が保護層厚ｔ３の光ディスク５３に収束するよう行われる。また、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する中周部では、光ビーム４の６次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の４次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の４次回折光はほとんど発生せず、開口数ＮＡ３に開口制限される。さらに、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する外周部では、ｍを３の倍数以外の整数として、光ビーム４のｍ次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５と光ビーム６の回折光は、それぞれ光ディスク５２、光ディスク５３に収束させないよう、回折素子１２３と屈折型レンズ１３３が構成される。
図１０は、本発明の実施の形態２における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。図１０において、本実施の形態の対物レンズ１４４は、基板表面に位相段差１２４ｄが形成された回折素子１２４と、屈折型レンズ１３４とから構成される。図１１は、図１０に示す位相段差１２４ｄの部分拡大断面図である。
位相段差１２４ｄは、図８に示す位相段差１３３ａと同様の構成を有し、同じ働きをする。つまり、位相段差１２４ｄは、波長λ１の光に対して波長の１０倍の光路長の差を与える高さｈａの段差を、積み重ねて形成され、波長λ２の光に対しては波長の６倍の光路長の差を生じ、波長λ３の光に対しては波長の５倍の光路長の差を生じさせる。波長の整数倍の光路長の差があっても、実質的には位相差を生じないが、波長が設計波長から変化すると、光路長の差が波長の整数倍からずれて、位相変化が生じる。この位相変化を用いることで、波長変化に起因した収差が補正される。
図１２は、本発明の実施の形態２に係る対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。図１２において、本実施の形態の対物レンズ１４５は、基板表面に回折素子と位相段差１３５ａが一体に形成された屈折型レンズ１３５から構成される。図１３は、図１２に示す回折素子と位相段差１３５ａの部分拡大断面図である。
回折素子と位相段差１３５ａは、図８に示す回折素子１２３および位相段差１３３ａと同じ働きをする。すなわち、回折素子は、保護層厚の差による球面収差の補正を行い、位相段差は、波長λ１の光に対しては１０倍の光路長の差を生じ、波長λ２の光に対しては波長の６倍の光路長の差を生じ、波長λ３の光に対しては波長の５倍の光路長の差を生じさせる高さｈａの段差を積み重ねて、波長変化による収差を補正するように構成される。
以上の説明では、回折素子に凸レンズ作用を持たせている。これは、図２で説明したように、回折素子の凸レンズ作用により、色収差に起因した焦点距離変化を補正するためである。よって、色収差に起因した焦点距離変化を回折素子により補正し、色収差に起因した球面収差を位相段差により補正することにより、設計どおりの性能を得ることができる。なお、実施の形態１と同様に、回折素子に凹レンズ作用を持たせるとことにより、保護層が厚い光ディスク５３の記録／再生を行うときの作動距離を確保し、波長変化に対する焦点距離変化を、回折素子を設けたコリメータレンズ等により低減することもできる。
なお、本実施の形態では、一例としてＢＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換について例示および説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ＨＤ−ＤＶＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換に対しても同様に適用できるものである。すなわち、保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．８５で記録／再生を行う例について説明したが、ＨＤ−ＤＶＤとの互換は、保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．６５で記録／再生を行うことにより実現できる。
以上のように、本実施の形態では、異種ディスクの互換を実現し、さらに、色収差による球面収差も補正でき、波長の変化に対しても、安定に情報の再生や記録を行うことができる。回折素子と位相段差だけで、異種ディスクの互換と色収差補正の問題を解決することができる。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３を説明する。図１４は、本発明の実施の形態３に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。図１４において、２１は波長λ１（略４０５ｎｍ）の光を出射する青色レーザ光源を示し、２２は波長λ２（略６５５ｎｍ）の光と、波長λ３（略７８０ｎｍ）の光を出射する２波長レーザ光源を示す。２８は回折レンズを示し、回折作用と屈折作用をもっており凸レンズとして作用する。３０はコリメートレンズ、３４は対物レンズを示し、対物レンズ３４は、回折素子３２と屈折型レンズ３３とで構成されている。
５４は保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクを示し、波長λ１の光ビームによって、開口数ＮＡ１で記録／再生される光情報媒体、例えばＨＤ−ＤＶＤ用の光ディスクである。５２は保護層厚ｔ２が約０．６ｍｍの光ディスクを示し、波長λ２の光ビームによって、開口数ＮＡ２で記録／再生される光情報媒体、例えばＤＶＤ用の光ディスクである。５３は保護層厚ｔ３が約１．２ｍｍの光ディスクを示し、波長λ３の光ビームによって、開口数ＮＡ３で記録／再生される光情報媒体、例えばＣＤ用の光ディスクである。これらの光ディスクにおける開口数はＮＡ１が０．６５、ＮＡ２が０．６、ＮＡ３が０．４５から０．５である。図１４において、光ディスク５４（実線）、５２（破線）５３（一点鎖線）は、例示の明瞭化のため、光ビームが入射する面から情報記録面までの保護層のみを示している。
記録密度の高い光ディスク５４の記録／再生を行う際には、青色レーザ光源２１から出射した波長λ１の光ビーム２３がプリズム２６を透過して、プリズム２９に入射する。プリズム２６は、波長λ１の光に対して、一方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する偏光分離特性をもった光路分岐素子であり、青色レーザ光源２１から出射した光ビーム２３の偏光方向は、プリズム２６を透過するよう設定されている。また、プリズム２９は、波長λ１の光を反射し、波長λ２、λ３の光を透過する光路分岐素子である。プリズム２９に入射した光ビーム２３は、プリズム２９で反射して、コリメートレンズ３０よって集光され略平行光になり、波長板３１により直線偏光から円偏光に変換される。波長板３１は、波長λ１、λ２の光に対しては、１／４波長板として作用し、波長λ３の光に対しては波長板として作用しないよう構成されている。さらに光ビーム２３は、回折素子３２と屈折型レンズ３３から成る対物レンズ３４によって絞られ、保護層厚ｔ１を通して、光ディスク５４の情報記録面に収束する。
光ディスク５４の情報記録面で反射した光ビーム２３は、もとの光路を逆にたどって、波長板３１により往路とは直角方向の直線偏光に変換されて、プリズム２９とプリズム２６で反射する。次に検出レンズ３５により非点収差が与えられ、光学倍率が変換されて、光検出器３６に入射する。光検出器３６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。フォーカス誤差信号は、例えば非点収差法により、またトラッキング誤差信号は、例えばプッシュプル法により得ることができる。
次に、光ディスク５２の記録／再生を行う際には、２波長レーザ光源２２から出射した波長λ２の光ビーム２４がプリズム２７を透過し、回折レンズ２８により凸レンズ作用を受け、プリズム２９を透過する。プリズム２７は、波長λ２の光に対して、一方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する偏光分離特性をもち、波長λ３の光に対しては一部の光を透過し、一部の光を反射するハーフミラー特性を持った光路分岐素子であり、２波長レーザ光源２２から出射した光ビーム２４の偏光方向はプリズム２７を透過するよう設定されている。また、回折レンズ２８の表面には、回折素子２８ａが形成され、波長λ２の光は、波長λ３の光よりも凸レンズ作用を大きく受ける。プリズム２９を透過した光ビーム２４は、コリメートレンズ３０よって集光され略平行光になり、波長板３１により直線偏光から円偏光に変換される。さらに光ビーム２４は、回折素子３２と屈折型レンズ３３から成る対物レンズ３４によって絞られ、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の情報記録面に収束する。
光ディスク５２の情報記録面で反射した光ビーム２４は、もとの光路を逆にたどって、波長板３１により往路とは直角方向の直線偏光に変換され、プリズム２９を透過して、プリズム２７で反射する。次に、検出レンズ３７により非点収差が与えられ、光学倍率が変換されて、光検出器３８に入射する。光検出器３８からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
次に、光ディスク５３の記録／再生を行う際には、２波長レーザ光源２２から出射した波長λ３の光ビーム２５の一部がプリズム２７を透過し、回折レンズ２８により凸レンズ作用を受け、プリズム２９を透過する。
波長λ３の光は、波長λ２の光よりも小さい凸レンズ作用を受け、コリメートレンズ３０で屈折した光ビーム２５は、発散光になる。さらに、光ビーム２５は、波長板３１を透過して、回折素子３２と屈折型レンズ３３からなる対物レンズ３４によって絞られ、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の情報記録面に収束する。
光ディスク５３の情報記録面で反射した光ビーム２５は、もとの光路を逆にたどって、プリズム２７で一部の光が反射し、検出レンズ３７により非点収差が与えられ、光学倍率が変換されて、光検出器３８に入射する。光検出器３８の出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
次に、図１５と図１６を用いて、回折素子３２および屈折型レンズ３３の働きと構成を説明する。図１５は、本発明の実施の形態３おける対物レンズ３４の一例を示す拡大断面図であり、対物レンズ３４を構成する回折素子３２と屈折型レンズ３３により収束する光の伝搬を示す。図１５において、対物レンズ３４は開口数ＮＡ１が０．６５に設定されており、回折素子３２の回折次数は、実施の形態１の回折素子１２と同様である。屈折型レンズ３３は、回折素子３２によって回折作用を受けた光ビーム２３を、保護層厚ｔ１を通して光ディスク５４の記録面上へ収束し、波長の違いによる回折作用の差を利用して、波長λ２の光ビーム２４を、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の記録面上へ収束し、波長λ３の光ビーム２５を、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の記録面上へ収束するように構成されている。
光ビーム２３は実線で示す光路を伝搬して点Ｑ４に収束し、光ビーム２４は破線で示す光路を伝搬して点Ｑ５に収束し、光ビーム２５は一点鎖線で示す光路を伝搬して点Ｑ６に収束する。保護層厚が同じである光ディスク５４と５２に対して、異なる波長により記録／再生を行うため、回折素子３２は、屈折型レンズ３３の波長の差で発生する収差を補正することになる。このため、回折素子３２の回折だけでは、光ディスク５３の保護層で発生する球面収差を十分に補正できず、光ビーム２５を発散光にして補正している。実施の形態１および２においても、光ディスク５３の保護層で発生する球面収差を補正するため、光ビーム６を発散光にしてもよい。このように構成した場合、作動距離を拡大する点で効果がある。
図１６は、図１５に示す回折素子３２の平面（紙面上側）、および断面（紙面下側）を示す図である。図１６に示すように、回折素子３２の回折格子は同心円状をなし、内周部３２ａと、中周部３２ｂと、外周部３２ｃとで回折格子の構成が異なっている。回折素子３２の内周部３２ａは、開口数ＮＡ３に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム２３に対しては３次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム２４に対しては２次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム２５に対しては２次回折光を最も強く発生する格子形状を有する。
そして、光ビーム２３の３次回折光が、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の２次回折光は、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５２に収束し、光ビーム２５の２次回折光が、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５３に収束する。回折格子の深さｈ１を実施の形態１のそれと同じ２．３８μｍに設定することにより、同様の回折次数で同様の強度を得ることができる。なお、光ビーム２５は、発散光で回折素子３２に入射するが、入射角が小さいため、回折次数と強度に関しては、実施の形態１とほぼ同等である。
回折素子３２の中周部３２ｂは、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム２３に対しては６次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム２４に対しては４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム２５に対しては３次回折光を最も強く発生して４次回折光はほとんど発生しない格子形状を有する。
そして、光ビーム２３の６次回折光が、屈折型レンズ３３を通して光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の４次回折光が、屈折型レンズ３３を通して光ディスク５２に収束する。中周部３２ｂの回折格子の深さｈ２を、実施の形態１のそれと同じく、内周部３２ａの回折格子の深さｈ１の２倍である４．７６μｍに設定することにより、同様の回折次数で同様の強度を得ることができる。よって、波長λ３が７８０ｎｍのとき、３次回折光が最大になって、４次回折光はほとんど発生しない。
回折素子３２の外周部３２ｃは、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム２３に対して、ｍ（ｍは３の倍数以外の整数で、例えば２）次回折光を最も強く発生する格子形状を有する。この光ビーム２３の２次回折光が、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５４に収束する。外周部３２ｃの回折格子の深さｈ３を、実施の形態１のそれと同じく、１．５９μｍに設定すると、波長λ１の光は２次回折光の強度が最大となる。光ビーム２４、２５については、外周部３２ｃの回折格子の深さｈ３を、内周部３２ａの回折格子の深さｈ１のｍ／３倍、例えば２／３倍に設定した場合、２次回折の２／３に対応する次数がないため、光ディスク５２、５３に収束する回折光が無くなり、開口制限することができる。
回折素子３２の内周部３２ａと、中周部３２ｂと、外周部３２ｃとでは回折次数が変わるが、回折格子のピッチＰを、実施の形態１のそれと同様に設定することにより、波長変化に対する回折角の変化を一定にすることができる。これにより、波長が変化しても光ディスクに収束する光の位置にずれが発生せず、保護層厚の差による収差を補正できる。この結果、光ビーム２３、２４、２５は、回折素子３２と屈折型レンズ３３を通して、各々に合った開口数で、光ディスク５４、５２、５３に収束できる。
また、回折素子３２の外周部３２ｃにおいて、光ビーム２３の２次回折光を利用したが、他の回折次数も利用することができる。この領域における光ビーム２３の回折次数をｍとした場合、内周部３２ａの回折次数との比、ｍ／３が整数にならなければ、光ビーム２４も光ビーム２５も、内周部３２ａおよび中周部３２ｂの回折光とは異なる位置に収束する。つまり、次数ｍを３の倍数以外の整数に設定すれば、光ビーム２４は、光ディスク５２に収束する回折光が無くなり、光ビーム２５は、光ディスク５３に収束する回折光が無くなるため、開口制限することができる。
次に、図１４に示す回折レンズ２８の働きについて、図１７を用いて説明する。図１７は、回折レンズ２８とコリメートレンズ３０を伝搬する光ビーム２４、２５の様子を示す図である。図１７において、回折素子２８ａは凹レンズ作用をもち、回折レンズ２８は、回折素子２８ａの凹レンズ作用と、屈折によるレンズ作用とが合わさって凸レンズ作用をもたらす。波長λ３の光は波長λ２の光よりも波長が長いため、回折素子２８ａによる回折効果が大きく、凹レンズ作用が大きくなる。このため、波長λ３の光が回折レンズ２８で受ける凸レンズ作用は、波長λ２の光が受ける凸レンズ作用より小さくなる。
一方、回折レンズ２８とコリメートレンズ３０は、波長λ２の光ビーム２４を集光して略平行光になるよう構成されている。このため、回折レンズ２８で受ける凸レンズ作用が小さい波長λ３の光ビーム２５は、コリメートレンズ３０で集光しても平行光にはならず、発散光になる。よって、光ビーム２４は略平行光として、光ビーム２５は発散光として、対物レンズ３４に入射し、前記のような動作をする。
上記の構成では、回折素子３２と屈折型レンズ３３との相対位置に誤差があると、設計通りの波面が屈折型レンズ３３に入射せず、光ディスク５４、５２、５３へ入射する光の波面に収差が生じ、収束性能を劣化させる。このため、回折素子３２を屈折型レンズ３３と一体に形成することが望ましい。
図１８は、本発明の実施の形態３における対物レンズの変形例を示す拡大断面図であり、対物レンズ３４１を構成する屈折型レンズ３３１の表面に、回折素子３２１が形成されている。図１８において、回折素子３２１は、図１５の回折素子３２と同じ働きをするものである。
つまり、回折素子３２１の開口数ＮＡ３に相当する内周部の領域では、光ビーム２３の３次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の２次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム２５の２次回折光が保護層厚ｔ３の光ディスク５３に収束する。
また、回折素子３２１の開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する中周部の領域では、光ビーム２３の６次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の４次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム２５の４次回折光はほとんど発生せず、開口数ＮＡ３に開口制限される。
さらに、回折素子３２１の開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する外周部の領域では、回折次数ｍを３の倍数以外の整数に設定した場合、光ビーム２３のｍ次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５４に収束し、光ビーム２４、２５の回折光が、それぞれ光ディスク５２、５３に収束しないよう、回折素子３２１と屈折型レンズ３３１が構成される。
図１５に示す対物レンズ３４の構成では、平面上に回折素子３２を形成し、凸レンズ作用を持たせたため、回折素子３２に入射する光が傾くと収束性能が劣化する、いわゆる軸外性能が悪いが、図１８に示す対物レンズ３４１の構成では、レンズ面に回折素子を形成するため、軸外性能も良好になる。このように構成することにより、回折素子と屈折型レンズの位置ずれがなく、軸外性能の良い、対物レンズを得ることができる。
なお、本実施の形態では、一例としてＨＤ−ＤＶＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換について例示および説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ＢＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換に対しても同様に適用できるものである。すなわち、保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．６５で記録／再生を行う例について説明したが、ＢＤとの互換は、保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．８５で記録／再生を行うことにより実現できる。
さらに、実施の形態２と同様に、図１５に示す回折素子３２あるいは屈折レンズ３３に、波長λ１の波長の１０倍である高さｈａの位相段差を設けることにより、波長が設計波長から変化した場合の球面収差を低減することができる。図１９は、本発明の実施の形態３における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。図１９において、本実施の形態の対物レンズ３４２は、表面に位相段差と回折素子３２２が形成された屈折型レンズ３３２から成る。対物レンズ３４２の構成および作用は、実施の形態２の説明で用いた図１２に示す対物レンズ１４５のそれらと同様である。よって、詳細な説明は省略する。
以上のように、実施の形態３によれば、２波長レーザ光源を用い、複数種の光ディスクに対して保護層厚の差による球面収差を補正して、各光ディスクに対応した開口数に設定することができる。また、対物レンズを１つの成形レンズで構成することも可能であり、安価で安定した収束性能を得ることができる。
（実施の形態４）
図２０は、本発明の実施の形態４に係る光ディスク装置の概略構成を示す断面図である。図２０において、光ディスク１００は、ターンテーブル１０５に搭載され、モータ１０４によって回転される。実施の形態１、２または３にて例示および説明した光ヘッド１０２は、光ディスク１００の所望の情報が存在するトラック位置まで、駆動装置１０１によって移送される。
光ヘッド１０２は、光ディスク１００との位置関係に対応して、フォーカス誤差信号ＦＥおよびトラッキング誤差信号ＴＥを電気回路１０３へ送る。電気回路１０３は、これらの信号ＦＥ、ＴＥに基づいて、光ヘッド１０２へ、光ヘッド１０２内の対物レンズを駆動させるための信号ＬＣを送る。この信号ＬＣに応じて、光ヘッド１０２は、光ディスク１００に対してフォーカス制御とトラッキング制御とを行い、情報の読み出し、書き込み又は消去を行う。
以上の説明において、搭載する光ディスク１００は、保護層厚がｔ１、ｔ２、ｔ３のいずれかの光ディスクである。本実施の形態の光ディスク装置１０７は、実施の形態１、２または３の光ヘッドを用いるので、１つの光ヘッドにより、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。
（実施の形態５）
図２１は、本発明の実施の形態５に係るコンピュータの概略構成を示す斜視図である。図２１において、コンピュータ１０９は、実施の形態４に係る光ディスク装置１０７と、情報の入力を行うためのキーボード１１１およびマウス１１２などの入力装置と、入力装置から入力された情報や、光ディスク装置１０７から読み出した情報などに基づいて、各種演算を行うＣＰＵなどの演算装置１０８と、演算装置１０８によって演算された結果の情報を表示するブラウン管や、液晶表示装置などの出力装置１１０とから構成される。
本実施の形態に係るコンピュータは、実施の形態４に係る光ディスク装置１０７を備えており、異なる種類の光ディスクに対して安定に情報を記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。
（実施の形態６）
図２２は、本発明の実施の形態６に係る光ディスクレコーダの概略構成を示す斜視図である。図２２において、光ディスクレコーダ１１５は、実施の形態４に係る光ディスク装置１０７と、映像および／または音声信号を光ディスクへの記録信号に変換し、この記録信号を光ディスク装置に送る記録信号処理回路１１３と、光ディスク装置１０７から得られた再生信号を映像および／または音声信号に変換する再生信号処理回路１１４とから構成される。この構成によれば、既に記録した部分を再生することも可能となる。さらに、光ディスクレコーダ１１５は、情報を表示するブラウン管、液晶表示装置などの出力装置１１０を備えてもよい。
本実施の形態に係る光ディスクレコーダは、前記実施の形態４に係る光ディスク装置１０７を備えており、異なる種類の光ディスクに対して安定に情報を記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。
本発明の特徴的構成をまとめると、以下のようになる。
本発明に係る光ヘッドは、波長λ１の光を出射する第１の光源と、波長λ２の光を出射する第２の光源と、波長λ３の光を出射する第３の光源と、第１の光ディスクに対しては波長λ１の光を開口数ＮＡ１で収束し、第２の光ディスクに対しては波長λ２の光を開口数ＮＡ２で収束し、第３の光ディスクに対しては波長λ３の光を開口数ＮＡ３で収束する対物レンズと、前記第１、第２および第３の光ディスクからの反射光を検出する少なくとも１つの光検出器とを備え、前記対物レンズは、少なくとも回折素子と屈折型レンズから成り、ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３の関係にある開口数を有し、前記回折素子は、前記開口数ＮＡ３に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として３次回折光を最も強く発生し、前記第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として２次回折光を最も強く発生し、前記第３の光ディスクに収束する波長λ３の光として２次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、前記開口数ＮＡ３から前記開口数ＮＡ２に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として６次回折光を最も強く発生し、前記第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光に対しては３次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、前記開口数ＮＡ２から前記開口数ＮＡ１に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光としてｍ次回折光を最も強く発生する格子形状を有する回折格子から成ることを特徴とする。
この構成によれば、光学フィルター等の開口制限手段を新たに設けなくとも、前記回折素子と前記屈折型レンズから成る１つの対物レンズを用いるだけで、波長λ１の光の３次回折光、６次回折光、およびｍ次回折光を開口数ＮＡ１で第１の光ディスクに収束させ、波長λ２の光の２次回折光および４次回折光を開口数ＮＡ２で第２の光ディスクに収束させ、波長λ３の光の２次回折光を開口数ＮＡ３で第３の光ディスクに収束させて、安定に情報を記録／再生することができる。
本発明に係る光ヘッドはさらに、前記波長λ２の光と波長λ３の光を回折する回折レンズを備えることが好ましい。
この構成によれば、各光ディスクに入射する光ビームの開口数を設定でき、波長λ２と波長λ３の２波長光源を用いた光学系において、波長λ３の光を発散光にして、前記対物レンズに入射させることができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折レンズは、回折作用と屈折作用を有する凸レンズであり、波長λ２の光に対し波長λ３の光よりも大きな凸レンズ作用を与える構造を有することが好ましい。
この構成によれば、波長λ３の光を発散光にすることで、第３の光ディスクの保護層で発生する球面収差を補正することができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記対物レンズは、前記回折素子と、前記屈折型レンズと、入射光に位相差を生じさせる段差を複数有する位相段差とから成り、前記位相段差は、１段の深さを波長λ１の光が透過する際に生じる光路長の差が波長λ１の１０倍である構造を有することが好ましい。
この構成によれば、波長λ１が変化したときに第１の光ディスクの保護層で発生する球面収差を抑えることができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記位相段差は、前記回折素子と一体に形成されることが好ましい。
この構成によれば、色収差に起因した焦点距離の変化を回折素子により補正し、色収差に起因した球面収差を位相段差により補正することが、小型で安価な構成により実現できる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子は、前記屈折型レンズの表面に形成されることが好ましい。
この構成によれば、回折素子と屈折型レンズの位置ずれをなくし、軸外性能の良好な対物レンズを小型で安価に実現できる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記位相段差と前記回折素子は、前記屈折型レンズの表面に形成されることが好ましい。
この構成によれば、色収差に起因した焦点距離の変化を回折素子により補正し、色収差に起因した球面収差を位相段差により補正でき、また回折素子と屈折型レンズの位置ずれをなくし、軸外性能の良好な対物レンズを小型で安価に実現できる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記保護層の厚みｔ１、ｔ２およびｔ３は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３の関係にあることが好ましい。また、前記保護層の厚みｔ１が略０．１ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ３が略１．２ｍｍであることが好ましい。さらに、前記開口数ＮＡ１が０．８５であり、前記開口数ＮＡ２が０．６であり、前記開口数ＮＡ３が０．４５と０．５との間であることが好ましい。
この構成によれば、１つの対物レンズで、保護層の厚みの異なるＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤの記録／再生を行うことができる。
または、本発明に係る光ヘッドにおいて、前記保護層の厚みｔ１、ｔ２およびｔ３は、ｔ１＝ｔ２＜ｔ３の関係にあることが好ましい。また、前記保護層の厚みｔ１が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ３が略１．２ｍｍであることが好ましい。さらに、前記開口数ＮＡ１が０．６５であり、前記開口数ＮＡ２が０．６であり、前記開口数ＮＡ３が０．４５と０．５との間であることが好ましい。
この構成によれば、１つの対物レンズで、保護層の厚みの異なるＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、およびＣＤの記録／再生を行うことができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折格子は、同心円を成し、鋸歯状の断面形状を有することが好ましい。
この構成によれば、波長λ１、λ２、λ３の光の回折効率を向上させることができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折格子は、前記開口数ＮＡ３に相当する領域にて、波長λ１の光に対して３波長以上の光路長を与え、波長λ２の光に対して２波長以下の光路長を与える深さｈ１を有し、前記開口数ＮＡ３から前記開口数ＮＡ２に相当する領域にて、前記深さｈ１の２倍の光路長を与える深さｈ２を有し、前記開口数ＮＡ２から前記開口数ＮＡ１に相当する領域にて、波長λ１の光に対してｍ波長の光路長を与える深さｈ３を有し、波長λ１の前記３次回折光と前記６次回折光と前記ｍ次回折光を前記第１の光ディスクに収束し、波長λ２の前記２次回折光と前記４次回折光を前記第２の光ディスクに収束し、波長λ３の前記２次回折光を前記第３の光ディスクに収束するように、前記各領域にて異なるピッチを有することが好ましい。
この構成によれば、回折素子により開口制限を受ける複数の領域で光の回折次数を変えたとしても、波長の変化に対する回折角の変化が一定になり、光ディスクに収束する光の位置にずれがなくなる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記ｍ次回折光の次数ｍは、３の倍数以外の整数に設定されることが好ましい。
この構成によれば、回折素子の開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する領域にて、第２および第３の波長の光はそれぞれ、第２および第３の光ディスクに収束する回折光が無くなるので、開口制限することができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子の開口数がＮＡ３からＮＡ２に相当する領域の回折格子のピッチを、波長λ１の３次回折光として設計したときの２倍に設定することが好ましい。
この構成によれば、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化が、開口数ＮＡ３に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化と同じになる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子の開口数がＮＡ２からＮＡ１に相当する領域の回折格子のピッチを、波長λ１の３次回折光として設計したときのｍ／３倍に設定することが好ましい。
この構成によれば、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化が、開口数ＮＡ３に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化と同じになる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子は、凸レンズ作用を有することが好ましい。
この構成によれば、屈折型レンズの色収差を回折素子の色収差で相殺することで、波長の変化に対する焦点距離の変化を低減することができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記波長λ１は４０５ｎｍ近傍であり、前記波長λ２は６５５ｎｍ近傍であり、前記波長λ３は７８０ｎｍ近傍である。
本発明に係る対物レンズは、前記回折素子と前記屈折型レンズから成ることを特徴とする。
本発明に係る光ディスク装置は、本発明に係る光ヘッドと、前記第１、第２または第３の光ディスクを回転するモータと、前記光ヘッドから得られる信号に基づいて、前記モータ、前記光ヘッドに含まれる光学レンズ、及び前記第１、第２または第３の光源の少なくともいずれかを制御および駆動する電気回路とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、本発明に係る光ヘッドを備えているので、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。
本発明に係るコンピュータは、本発明に係る光ディスク装置と、入力された情報、及び前記光ディスク装置から再生された情報の少なくともいずれかに基づいて演算を行う演算装置と、前記入力された情報、前記光ディスク装置から再生された情報、及び前記演算装置によって演算された結果の少なくともいずれかを出力する出力装置とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、本発明に係る光ディスク装置を備えており、記録密度の異なる複数の光ディスクに対して安定に情報を記録または再生できるので、広い用途に適応できる。
本発明に係る光ディスクレコーダは、本発明に係る光ディスク装置と、映像および音声信号の少なくとも１つを前記第１、第２または第３の光ディスクへの記録信号に変換し、前記光ディスク装置に送る記録用信号処理回路と、前記光ディスク装置から得られた再生信号を映像および音声信号の少なくとも１つに変換する再生用信号処理回路とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、本発明に係る光ディスク装置を備えており、記録密度の異なる複数の光ディスクに対して安定に映像および／または音声を記録または再生できるので、広い用途に適応できる。
本発明にかかる光ヘッドは、光学フィルター等の開口制限手段なしに、１つの対物レンズを用いて、各光ディスクの保護層厚の差に起因した球面収差を補正でき、異なる種類のディスクの互換再生および互換記録を安定かつ安価に実現できるという利点を有し、光ディスク装置、コンピュータ、光ディスクレコーダなどの機器に適用した場合に有用である。
本発明は、光ディスクなどの光情報記憶媒体に対して情報の記録、再生、または消去を行う光ヘッドと、該光ヘッドに用いる対物レンズと、前記光ヘッドを用いた光ディスク装置と、該光ディスク装置を適用したコンピュータおよび前記光ディスク装置を用いて光情報記憶媒体に対して映像／音声信号を記録および再生する光ディスクレコーダ等のシステムに関する。
光ディスクの第１世代といえるコンパクトディスク（以下、ＣＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．４５から０．５とし、波長７８０ｎｍの赤外光を用いて、保護層厚１．２ｍｍの光ディスクに対して情報を記録または再生（以下、記録／再生と記す）している。なお、本明細書中において、保護層とは光ディスクに光ビームが入射する面から情報記録面までの透明な媒体を指す。また、第２世代のデジタルバーサタイルディスク（以下、ＤＶＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．６とし、波長６５５ｎｍの赤色光を用いて、保護層厚０．６ｍｍの光ディスクに対して情報を記録／再生している。そして、第３世代のブルーレイディスク（以下、ＢＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．８５とし、波長４０５ｎｍの青色光を用いて、保護層厚０．１ｍｍの光ディスクに対して情報を記録／再生している。さらに、ＢＤとは別の規格である次世代ＤＶＤ（以下、ＨＤ−ＤＶＤと記す）では、対物レンズの開口数を０．６５とし、波長４０５ｎｍの青色光を用いて、ＤＶＤと同じ保護層厚０．６ｍｍの光ディスクに対して情報を記録／再生している。
このように、第３世代の光ディスクに対して情報を記録／再生する光ディスク装置では、短波長の青色レーザ光源と、開口数の大きい光学系とを用いて、従来以上に高密度化を図っており、今後の拡大が期待されている。しかし、高密度光ディスクであるＢＤおよびＨＤ−ＤＶＤにおいても、ＤＶＤおよびＣＤで蓄積された資産の継承が望まれ、装置の大きさの観点からは、異なる光ディスクを、１つの光ヘッドにより記録／再生できる光ディスク装置が求められている。そのためには、保護層の厚みが異なる光ディスクに対して回折限界まで光ビームを絞ることのできる光ヘッドが必要になる。
従来より、異なる種類の光ディスクに対して、複数の波長の光ビームを用いて記録／再生することを目的とした構成が提案されている。この構成について、図２３および図２４を用いて説明する。
図２３は、第１の従来例としての光ヘッドの一例の概略構成を示す断面図である。図２３において、青色レーザ光源６１から出射した波長４０５ｎｍの光ビーム６３と、赤色レーザ光源６２から出射した波長６５５ｎｍの光ビーム６４が、コリメートレンズ６５により並行光に変換され、回折素子６６と屈折型レンズ６７により絞られて光ディスクに収束にする。回折素子６６は凸レンズ作用を持ち、波長４０５ｎｍの光に対しては、２次回折光を最も強く発生し、波長６５５ｎｍの光に対しては、１次回折光を最も強く発生するよう構成されている。波長４０５ｎｍの光ビーム６３は、回折素子６６で回折されて２次回折光となり、屈折型レンズ６７により保護層厚０．１ｍｍの光ディスク５１の情報記録面に収束する。また、波長６５５ｎｍの光ビーム６４は、回折素子６６で回折されて１次回折光となり、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束する。光ディスク５１、５２で反射した光は、光検出器６８で検出される。
図２４は、図２３に示す回折素子６６と屈折型レンズ６７の拡大断面図である。図２４に示すように、回折素子６６は、光ビーム６４の開口内の領域６６ａと、領域６６ａの外側の領域６６ｂとでは異なる構成を有する。領域６６ａは、屈折型レンズ６７を通して光ビーム６３の２次回折光が光ディスク５１に収束され、また光ビーム６４の１次回折光が光ディスク５２に収束されるように構成されている。また、領域６６ｂは、屈折型レンズ６７を通して光ビーム６３の２次回折光が光ディスク５１に収束され、また光ビーム６４の１次回折光が光ディスク５２に対して収差を持つように構成されている。このようにして、保護層の厚みの違いによる球面収差が補正される（たとえば、特許文献１参照）。
第２の従来例としては、回折素子と、２つの波長選択位相板と、対物レンズとを組み合わせ、３種類の光ディスクに対応する光ヘッドの構成が提案されている。この構成について、図２５を用いて説明する。
図２５は、第２の従来例としての光ヘッドの一例の概略構成を示す断面図である。図２５において、光学ユニット７０より出射した波長４０５ｎｍの青色光７１ａは、回折素子７２の回折と、凹レンズ７３の屈折によって略平行光となり、対物レンズ７７の色収差を補正して、保護層厚０．１ｍｍの光ディスク５１の情報記録面に収束する。また、光学ユニット７０より出射した波長６５５ｎｍの赤色光７１ｂは、回折素子７２の影響を受けずに、凹レンズ７３により発散光となり、波長選択位相板７５により位相を補正されて、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束する。さらに、光学ユニット７０より出射した波長７８０ｎｍの赤外光７１ｃは、回折素子７２の影響を受けずに、凹レンズ７３により発散光となり、波長選択位相板７６により位相を補正されて、保護層厚１．２ｍｍの光ディスク５３の情報記録面に収束する。光ディスク５１、５２、５３で反射した光は、逆の経路をたどって光学ユニット７０内の光検出器で検出される。
波長選択位相板７５には、波長６５５ｎｍの光ビームに対して位相差を発生させ、波長４０５ｎｍと７８０ｎｍの光ビームに対しては、各波長の略整数倍の位相差を発生させる、すなわち位相差がゼロとなるような段差形状（ｓｔｅｐ−ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する位相段差（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｐａｔｔｅｒｎ）７５ａが設けられている。このため、波長選択位相板７５は、光ビーム７１ａと７１ｃの位相分布には影響を与えない。また、波長選択位相板７６には、波長７８０ｎｍの光ビームに対して位相差を発生させ、波長４０５ｎｍと６５５ｎｍの光ビームに対しては、各波長の略整数倍の位相差を発生させる、すなわち位相差がゼロとなるような段差形状を有する位相段差７６ａが設けられている。このため、波長選択位相板７６は、光ビーム７１ａと７１ｂの位相分布には影響を与えない。
対物レンズ７７は、波長４０５ｎｍの青色光が平行で入射した時に、保護層厚０．１ｍｍのＢＤに収束されるように構成されており、保護層厚０．６ｍｍのＤＶＤに対して記録／再生を行う際は、厚みの違いによって球面収差が発生する。この球面収差は、凹レンズ７３と波長選択位相板７５とを用いて補正される。また、保護層厚１．２ｍｍのＣＤに対して記録／再生を行う際に発生する球面収差は、凹レンズ７３と波長選択位相板７６とを用いて補正される（たとえば、特許文献２参照）。
第３の従来例としては、複数の対物レンズを機械的に切り替えて、複数の光ディスクに対して記録／再生を行う構成が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
第４の従来例としては、ＨＤ−ＤＶＤに関して、異なる種類の光ディスクに対して記録／再生を行う構成が提案されている。この構成について、図２６および図２７を用いて説明する。
図２６は、第４の従来例としての光ヘッドの一例の概略構成を示す断面図である。図２６において、青色レーザ光源８０から出射した波長４０５ｎｍの光ビーム８３と、赤色レーザ光源８１から出射した波長６５５ｎｍの光ビーム８４と、赤外レーザ光源８２から出射した波長７８０ｎｍの光ビーム８５とが、回折素子８６ａを有する対物レンズ８６により絞られて、光ディスクに収束にする。
図２７は、図２６に示す対物レンズ８６の部分拡大断面図である。図２７に示すように、対物レンズ８６は、内周部８７と、中周部８８と、外周部８９とで異なる構成を有する。つまり、回折素子８６ａの内周部８７は、各波長の光に対して１次回折光を最も強く発生させ、中周部８８は、波長４０５ｎｍの光に対して３次回折光を最も強く発生させ、また波長６５５ｎｍの光に対して２次回折光を最も強く発生させ、外周部８９は、波長４０５ｎｍと波長６５５ｎｍの光に対して、回折が最大となる次数が異なるように構成されている。さらに、対物レンズ８６の屈折面は、上記の最も強くなる回折光が、各光ディスクに収束するように構成されており、内周部８７と、中周部８８と、外周部８９とで非球面係数はそれぞれ異なっている。
このようにして、対物レンズ８６は、光ビーム８３に対して回折素子８６ａの全周部により最も強く発生される回折次数の光を、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５４の情報記録面に収束し、光ビーム８４に対して回折素子８６ａの内周部８７と中周部８８により最も強く発生される回折次数の光を、保護層厚０．６ｍｍの光ディスク５２の情報記録面に収束し、光ビーム８５に対して回折素子８６ａの内周部８７により最も強く発生される回折次数の光を、保護層厚１．２ｍｍの光ディスク５３の情報記録面に収束する。このようにして、波長と保護層の厚みの違いに起因した球面収差が補正され、回折素子８６ａの各領域において回折次数を異ならせることにより、光ビーム８３に対する開口数をＮＡ１とし、光ビーム８４に対する開口数をＮＡ２とし、光ビーム８５に対する開口数をＮＡ３（ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３）とするように開口制限が行われる（たとえば、特許文献４参照）。
特開２００４−１９２７８３号公報（第１２−１８頁、図１、２） 特開２００３−２８１７７５号公報（第６−１１頁、図１） 特開平１１−２９６８９０号公報（第４−６頁、図１） 特開２００４−３６２６２６号公報（第５−１４頁、図１、３）
しかしながら、上記各従来例では、以下のような問題点がある。
第１の従来例では、１つの対物レンズによりＢＤとＤＶＤに対して記録／再生を行うことができるが、ＣＤに対して記録／再生を行うことはできない。波長４０５ｎｍの光については回折素子６６で発生する２次回折光を利用し、また波長６５５ｎｍの光については回折素子６６で発生する１次回折光を利用して、ＢＤとＤＶＤの保護層厚の差による球面収差を補正するため、波長７８０ｎｍの光を保護層厚１．２ｍｍのＣＤの情報記録面に最適に収束させることはできない。波長７８０ｎｍの光についても回折素子６６で１次回折光を発生するが、波長が４０５ｎｍの２倍に近いため、最適な保護層の厚みがＢＤの保護層の厚みに近くなってしまい、ＣＤに対する記録／再生を行うことができない。さらに、ＣＤの記録／再生を行う光に対する開口制限手段がなく開口数を０．４５に設定できない。つまり、この方式は、ＢＤとＤＶＤとの互換性に関するものであり、ＣＤの記録／再生に必要な光の波長を含めた３波長に対応するには新たな技術的手段が必要である。
第２の従来例では、回折素子と２つの波長選択位相板を用いて、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの記録／再生に対応しているが、回折素子と波長選択位相板は、３波長の波長選択性を持たせているため溝が深くなり、溝斜面の回折ロスと溝深さの誤差で光量ロスが増加する。特に、青色光を回折し、赤色光と赤外光を回折しない回折素子７２は、４ステップの鋸歯形状により構成され、総合段差が２０μｍを超えるような深さになる。このため、波長の１桁下の精度を要求される回折素子では、十分な製造精度が確保できない。また、ＤＶＤとＣＤの記録／再生を行う光に対する開口制限手段がなく、ＤＶＤに対する開口数を０．６に設定し、ＣＤに対する開口数を０．４５に設定するには、光学フィルター等が必要になる。この構成は、回折格子、凹レンズ、２つの波長選択位相板、対物レンズ、さらには光学フィルター等を用いる複雑な構成になる。このため、光ヘッドを駆動するアクチュエータの可動部の質量が増加し、フォーカスやトラッキングの高倍速駆動が困難になり、またコスト面でも不利になる。
第３の従来例では、対物レンズを切り替えているので、複数の対物レンズを要し、部品点数が多くなるとともに、光ヘッド装置の小型化が困難であるという問題がある。また、切り替え機構を要する点でも、さらに装置の小型化が困難となる。
第４の従来例では、回折素子により球面収差の補正と、開口制限とを行って、ＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、ＣＤの記録／再生に対応しているが、回折素子の回折次数を変えているため、波長が設計波長から変化すると、収束性能が劣化してしまう。回折素子の回折角は、回折次数が増え、波長が長くなるに従って大きくなり、回折格子のピッチが大きくなるに従って小さくなる。このため、回折素子内で、回折次数を変えた場合、波長の変化に対して、回折角の変化が領域ごとに異なって、光ビームを一点に収束できなくなる。波長の変化要因としては、光源の波長ばらつきと、温度依存性があり、波長ばらつきは、青色レーザ光源では±５ｎｍ程度、赤外レーザ光源では±１０ｎｍ程度あり、温度依存性は、各光源も±２ｎｍ程度ある。これらが、設計波長からの変化になる。
第４の従来例の構成では、回折素子の回折格子が内周部から中周部に変わるとき、光ビーム８３の回折次数は１次から３次に変わるので、中周部の回折格子のピッチを、１次回折光として設計したときの３倍に設定すれば、内周部と中周部の波長変化に対する回折角の変化は一定になる。しかし、光ビーム８４の回折次数は１次から２次になるため、中周部の回折格子のピッチは、１次回折光として設計したときの２倍に設定しないと、内周部と中周部の波長変化に対する回折角の変化は一定にならない。このため、両方の光ビームに対して、回折次数が変化したとき、回折角の変化を一定にすることはできず、波長が変化すると、光ビームを１点に収束することができなくなる。
これらのことから、保護層厚が０．１ｍｍ、０．６ｍｍおよび１．２ｍｍの光ディスクに対して、青色光、赤色光および赤外光の３波長を用いて記録／再生を行う実用的な互換光ヘッドは実現できていない。
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、その目的は、１つの対物レンズを用いて異なる種類の光ディスクに対する安定な互換再生および互換記録を可能にする小型で安価な光ヘッドを提供することである。
前記の目的を達成するため、本発明に係る光ヘッドは、第１、第２および第３の光源と、対物レンズと、光検出器とを少なくとも含む。前記第１の光源は波長λ１の光を出射し、前記第２の光源は波長λ２の光を出射し、前記第３の光源は波長λ３の光を出射する。前記対物レンズは、少なくとも回折素子と屈折型レンズから成り、第１の光ディスクに対しては前記波長λ１の光を開口数ＮＡ１で収束し、第２の光ディスクに対しては前記波長λ２の光を開口数ＮＡ２で収束し、第３の光ディスクに対しては前記波長λ３の光を開口数ＮＡ３で収束する。ここで、前記開口数ＮＡ１、ＮＡ２およびＮＡ３は、ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３の関係にある。前記回折素子は、開口数ＮＡ３に相当する領域にて、前記波長λ１の光に対して３次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ２の光に対して２次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ３の光に対して２次回折光を最も強く発生させる格子形状を有する回折格子から成る。また、前記回折素子は、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する領域にて、前記波長λ１の光に対して６次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ２の光に対して４次回折光を最も強く発生させ、前記波長λ３の光に対して３次回折光を最も強く発生させる格子形状を有する回折格子から成る。さらに、前記回折素子は、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する領域にて、前記波長λ１の光に対してｍ次回折光を最も強く発生させる格子形状を有する回折格子から成る。
本発明によれば、回折素子と屈折型レンズから成る対物レンズを用い、回折素子により開口制限を受ける複数の領域で光の回折次数を変えたとしても、波長の変化に対する回折角の変化が一定になるように回折格子を構成し、波長の異なる光を保護層厚の異なる光ディスクに、それぞれに合った開口数で収束して、安定に情報を記録／再生することができる。これにより、光学フィルター等の開口制限手段なしに、１つの対物レンズを用いて、保護層厚の差に起因した球面収差を補正でき、種類の異なる光ディスクに対する安定な互換再生および互換記録を可能にする小型で安価な光ヘッドを実現できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。図１において、１は波長λ１（略４０５ｎｍ）の光を出射する青色レーザ光源を示し、２は波長λ２（略６５５ｎｍ）の光を出射する赤色レーザ光源、３は波長λ３（略７８０ｎｍ）の光を出射する赤外レーザ光源を示す。１０はコリメートレンズ、１４は対物レンズを示し、対物レンズ１４は、回折素子１２と屈折型レンズ１３により構成されている。５１は保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクを示し、波長λ１の光ビームによって、開口数ＮＡ１で記録／再生される光情報媒体、例えばＢＤ用の光ディスクである。５２は保護層厚ｔ２が約０．６ｍｍの光ディスクを示し、波長λ２の光ビームによって、開口数ＮＡ２で記録／再生される光情報媒体、例えばＤＶＤ用の光ディスクである。５３は保護層厚ｔ３が約１．２ｍｍの光ディスクを示し、波長λ３の光ビームによって、開口数ＮＡ３で記録／再生される光情報媒体、例えばＣＤ用の光ディスクである。これらの光ディスクにおける開口数はＮＡ１が０．８５、ＮＡ２が０．６、ＮＡ３が０．４５から０．５である。図１では、光ディスク５１（実線）、５２（破線）５３（一点鎖線）は、光ビームが入射する面から情報記録面までの保護層のみを示している。実際には、光ディスク５１、５２については、機械的強度を確保し、外形をＣＤと同じ１．２ｍｍにするため、基材を張り合わせている。光ディスク５２は、厚み０．６ｍｍの基材を張り合わせ、光ディスク５１は、厚み１．１ｍｍの基材を張り合わせているが、図１では、例示の明瞭化のため、基材は省略している。
記録密度の高い光ディスク５１の記録／再生を行う際には、青色レーザ光源１から出射した波長λ１の光ビーム４がプリズム７、プリズム８を透過して、ビームスプリッター９に入射する。プリズム７は、波長λ１の光を透過し、波長λ２の光を反射するよう構成され、プリズム８は、波長λ１とλ２の光を透過し、波長λ３の光を反射するよう構成されている。また、ビームスプリッター９は、波長λ１、λ２の光に対しては、一方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する偏光分離特性を持ち、波長λ３の光に対しては、一部の光を透過し、一部の光を反射するハーフミラー特性を持った光路分岐素子として機能する。
青色レーザ光源１から出射した光ビーム４の偏光方向は、ビームスプリッター９で反射するよう設定されており、ここを反射した光ビーム４は、コリメートレンズ１０より集光され略平行光になり、波長板１１により直線偏光から円偏光に変換される。波長板１１は、波長λ１、λ２の光に対しては、１／４波長板として作用し、波長λ３の光に対しては、波長板として作用しないよう構成されている。さらに光ビーム４は、回折素子１２と屈折型レンズ１３からなる対物レンズ１４によって絞られ、保護層厚ｔ１を通して光ディスク５１の情報記録面に収束する。
光ディスク５１の情報記録面で反射した光ビーム４は、もとの光路を逆にたどって、波長板１１により往路とは直角方向の直線偏光に変換されて、ビームスプリッター９を透過する。コリメートレンズ１０により収束光となった光ビーム４は、ビームスプリッター９を透過することにより非点収差が与えられ、検出レンズ１５により光学倍率が変換されて、光検出器１６に入射する。光検出器１６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。フォーカス誤差信号は、例えば非点収差法により、またトラッキング誤差信号は、例えばプッシュプル法により得ることができる。
次に、光ディスク５２の記録／再生を行う際には、赤色レーザ光源２から出射した波長λ２の光ビーム５がプリズム７で反射し、プリズム８を透過して、ビームスプリッター９に入射する。赤色レーザ光源２から出射した光ビーム５の偏光方向は、ビームスプリッター９で反射するよう設定されており、ここを反射した光ビーム５は、コリメートレンズ１０より集光され略平行光になり、波長板１１により直線偏光から円偏光に変換される。さらに光ビーム５は、回折素子１２と屈折型レンズ１３からなる対物レンズ１４によって絞られ、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の情報記録面に収束する。
光ディスク５２の情報記録面で反射した光ビーム５は、もとの光路を逆にたどって、波長板１１により往路とは直角方向の直線偏光に変換されて、ビームスプリッター９を透過する。コリメートレンズ１０により収束光となった光ビーム５は、ビームスプリッター９を透過することにより非点収差が与えられ、検出レンズ１５により光学倍率が変換されて、光検出器１６に入射する。光検出器１６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
次に、光ディスク５３の記録／再生を行う際には、赤外レーザ光源３から出射した波長λ３の光ビーム６がプリズム８で反射されて、ビームスプリッター９に入射する。赤外レーザ光源３から出射した光ビーム６の一部はビームスプリッター９で反射して、コリメートレンズ１０より集光され略平行光になり、波長板１１を透過する。さらに光ビーム６は、回折素子１２と屈折型レンズ１３からなる対物レンズ１４によって絞られ、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の情報記録面に収束する。
光ディスク５３の情報記録面で反射した光ビーム６は、もとの光路を逆にたどって、波長板１１、コリメートレンズ１０を通り、ビームスプリッター９により一部の光ビーム６を透過する。コリメートレンズ１０により収束光となった光ビーム６は、ビームスプリッター９を透過することにより非点収差が与えられ、検出レンズ１５により光学倍率が変換されて、光検出器１６に入射する。光検出器１６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
ここで、ＣＤ用の光ディスク５３には複屈折の大きなものがあり、光ビーム４、５のように、偏光分離による光路分岐を行うと、光検出器１６に光が伝搬しないことがある。このため、光ビーム６については、偏光方向によらず、一定の光を反射し、一定の光を透過するハーフミラー特性により光路分岐を行うことが望ましい。
次に、図２から図５を用いて、回折素子１２および屈折型レンズ１３の働きと構成を説明する。図２は、本発明の実施の形態１における対物レンズ１４の一例を示す拡大断面図であり、対物レンズ１４を構成する回折素子１２と屈折型レンズ１３により収束する光の伝搬を示す。図２において、回折素子１２は、光ビーム４、５、６を回折して、凸レンズ作用を及ぼす。屈折型レンズ１３は、回折素子１２によって回折作用を受けた光ビーム４を、保護層厚ｔ１を通して光ディスク５１の記録面上へ収束し、波長の違いによる回折作用の差を利用して、光ビーム５を、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の記録面上へ収束し、光ビーム６を、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の記録面上へ収束するように構成されている。
図２において、光ビーム４は実線で示す光路を伝搬して点Ｑ１に収束し、光ビーム５は破線で示す光路を伝搬して点Ｑ２に収束し、光ビーム６は一点鎖線で示す光路を伝搬して点Ｑ３に収束する。このように、光ビーム４、５、６は回折素子１２により波面変換され、保護層厚の差による球面収差が補正される。
回折素子１２により回折する光の回折角θは、回折格子のピッチが大きくなるにつれて小さくなり、また波長が長くなり、回折次数が増えるにつれて大きくなる。さらに、前記回折次数は回折格子の深さが増すにつれて大きくなる。本発明の実施の形態は、回折次数と、回折格子のピッチとを利用して、保護層厚の差による球面収差を補正し、波長λ２の光を開口数ＮＡ２に、また波長λ３の光を開口数ＮＡ３に開口制限し、波長が変化しても、光ビーム４、５、６の収束位置にずれが生じないように構成したものである。
図３は、回折素子１２の平面（紙面上側）および断面（紙面下側）を示す図である。図３に示すように、回折素子１２の回折格子は同心円状をなし、内周部１２ａと、中周部１２ｂと、外周部１２ｃとで構成が異なっている。
回折素子１２の内周部１２ａは、開口数ＮＡ３に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム４に対しては３次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム５に対しては２次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム６に対しては２次回折光を最も強く発生する格子形状を有する。そして、光ビーム４の３次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５１に収束され、光ビーム５の２次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５２に収束され、光ビーム６の２次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５３に収束される。
回折素子１２の中周部１２ｂは、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム４に対しては６次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム５に対しては４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム６に対しては３次回折光を最も強く発生して４次回折光はほとんど発生しない格子形状を有する。そして、光ビーム４の６次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５１に収束され、光ビーム５の４次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５２に収束される。
回折素子１２の外周部１２ｃは、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム４に対して、ｍ（ｍは３の倍数以外の整数で、例えば２）次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、この２次回折光は、屈折型レンズ１３を通して、光ディスク５１に収束される。
上記の回折素子１２の働きについて、図４、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを用いて詳しく説明する。図４は、回折素子１２を構成する回折格子の物理的な断面形状および各波長に対する位相変化を示す図である。図４において、ＤＧは回折格子の物理的な断面形状、ＰＣ（λ１）は回折格子を透過する波長λ１の光の位相変化、ＰＣ（λ２）は回折格子を透過する波長λ２の光の位相変化、ＰＣ（λ３）は回折格子を透過する波長λ３の光の位相変化を示している。物理的な断面形状ＤＧは、内周部１２ａと中周部１２ｂとの境界領域を例示しており、特定の回折光を効率よく発生させるため、回折格子は鋸歯状の断面形状を有する。
図５Ａ〜図５Ｃは、回折素子１２の材料を、例えばホウケイ酸クラウンガラス（ＢＫ７）としたときの、鋸歯状格子の深さｈに対する回折効率ＤＥを示すグラフである。図５Ａは、波長λ１の光に対する回折格子の深さｈと回折効率ＤＥ（λ１）を、図５Ｂは、波長λ２の光に対する回折格子の深さｈと回折効率ＤＥ（λ２）を、図５Ｃは、波長λ３の光に対する回折格子の深さｈと回折効率ＤＥ（λ３）を示している。ここで、光路長の差を、回折格子の段差の有無によって生じる光路長の差とであると規定した場合、波長λに対する屈折率をｎとして、この光路長の差Ｌは、段差の深さｈと、媒質と空気との屈折率の差（ｎ−１）との積として以下のように表わされる。
Ｌ＝ｈ×（ｎ-１）
この、光路長の差Ｌが波長のｋ倍であるとした場合、深さｈは、
ｈ＝ｋ×λ／（ｎ-１） ・・・（式１）
で表される。
内周部１２ａにおいて、図４に示すように、回折格子の深さｈ１は、例えば２．３８μｍに設定される。波長λ１が４０５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ１は１．５３０２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ１、λ１、ｎ１を代入すると、ｋは３．１２になるので、段差ｈ１により光ビーム４に発生する光路長の差は、約３．１２波長、すなわち位相差が約６．２３πラジアンになる。よって、光ビーム４は３次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ１）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ１）は、図５Ａに示すように、スカラー計算上約９６％となる。
また、波長λ２が６５５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ２は、１．５１４４であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ１、λ２、ｎ２を代入すると、ｋは１．８７になるので、段差ｈ１により光ビーム５に発生する光路長の差は、約１．８７波長、すなわち位相差が約３．７４πラジアンになる。よって、光ビーム５は２次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ２）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ２）は、図５Ｂに示すように、スカラー計算上約９４％となる。
さらに、波長λ３が７８０ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ３は、１．５１１２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ１、λ３、ｎ３を代入すると、ｋは１．５６になるので、段差ｈ１により光ビーム６に発生する光路長の差は、約１．５６波長、すなわち位相差が約３．１２πラジアンになる。よって、光ビーム６は２次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ３）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ３）は、図５Ｃに示すように、スカラー計算上約５０％となる。
次に、回折素子１２の中周部１２ｂにて、図４に示すように、回折格子の深さｈ２は、例えば内周部１２ａの回折格子の深さｈ１の２倍である４．７６μｍに設定される。波長λ１が４０５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ１は１．５３０２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ２、λ１、ｎ１を代入すると、段差ｈ２により光ビーム４に発生する光路長の差は、約６．２３波長、すなわち位相差が約１２．４６πラジアンになる。よって、光ビーム４は６次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ１）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ１）は、図５Ａに示すように、スカラー計算上約８２％となる。
また、波長λ２が６５５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ２は、１．５１４４であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ２、λ２、ｎ２を代入すると、段差ｈ２により光ビーム５に発生する光路長の差は、約３．７４波長、すなわち位相差が約７．４８πラジアンになる。よって、光ビーム５は４次回折光の強度が最大となり、位相変化は、図４のＰＣ（λ２）で示すようになる。回折効率ＤＥ（λ２）は、図５Ｂに示すように、スカラー計算上約８２％となる。
さらに、波長λ３が７８０ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ３は、１．５１１２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ２、λ３、ｎ３を代入すると、段差ｈ２により光ビーム６に発生する光路長の差は、約３．１２波長になる。よって、この形状により光ビーム６は３次回折光の強度が最大となり、回折効率ＤＥ（λ３）は、図５Ｃに示すように、スカラー計算上９５％となる。このため、光ビーム６について４次回折光はほとんど発生せず、位相変化は、図４のＰＣ（λ３）で示すようになる。
以上のように、回折素子１２は、回折格子の深さを変えることにより、回折次数を変えることができる。ところで、ｑを回折次数とすると、回折角θは、以下のようになる。
ｓｉｎθ＝ｑ×λ／Ｐ ・・・（式２）
つまり、回折次数ｑが大きくなると、波長λが変化したときの回折角θの変化も大きくなり、波長λが変化すると、光ディスクに収束する光の位置にずれが発生する。本発明の実施の形態では、回折格子のピッチＰを、このずれが発生しないように設定しており、波長λの変化に対する回折角θの変化を一定にしている。
中周部１２ｂでは、回折格子の深さｈ２が、内周部１２ａの回折格子の深さｈ１の２倍になる。このため、光ディスク５１に収束する光ビーム４は、内周部１２ａから中周部１２ｂにかけて、３次回折光から６次回折光へと、回折次数が２倍に変化するが、中周部１２ｂの回折格子のピッチＰ２を、３次回折光として設計したときの２倍に設定することにより、上記（式２）の回折角θは、３次回折光として設計したことと同等になるため、波長の変化に対する回折角の変化は、内周部１２ａでのそれと同じになる。
また、光ディスク５２に収束する光ビーム５は、内周部１２ａから中周部１２ｂにかけて、２次回折光から４次回折光へと、回折次数が２倍に変化するが、回折格子のピッチＰ２は、２次回折光として設計したときの２倍になり、回折角θは、２次回折光として設計したことと同等になるため、波長の変化に対する回折角の変化は、内周部１２ａでのそれと同じになる。
この様子について、図４のＤＧにおける内周部１２ａと中周部１２ｂとの境界領域で説明する。中周部１２ｂでは、回折格子の深さがｈ１からｈ２へ２倍になり、回折格子のピッチＰは光ビーム４の３次回折光として設計したときの２倍になっている。ここで、ピッチＰ２を隣り合う回折格子のピッチＰ１の２倍にすると、回折角θは同じになり、光ビーム４の波長λ１が変化しても、回折角は同じように変化し、回折光を１点に収束させることができる。
また、中周部１２ｂでの回折格子のピッチＰ２は光ビーム５の２次回折光として設計したときの２倍でもあり、光ビーム５の波長λ２が変化しても、回折角は同じように変化し、回折光を１点に収束させることができる。実際には回折素子１２の回折角θは一定ではなく、凸レンズ作用を持つように連続的に変化しているため、ピッチＰも連続的に変化しているが、この境界領域の隣り合う回折格子のピッチＰ２はＰ１の略２倍程度になる。
一方、波長λ３の光ビーム６は、中周部１２ｂで回折格子の深さｈ２が４．７６μｍになると、図５Ｃに示すように、４次回折光をほとんど発生せず、３次回折光になってしまう。３次回折光の次数は、内周部１２ａでの３／２倍であり、ピッチＰは２次回折光として設計したときの２倍になるため、上記（式２）より回折角θは小さくなり、中周部１２ｂで回折した光ビーム６は、内周部１２ａで回折した光ビーム６と同じ位置には収束しない。つまり、中周部１２ｂで回折した光ビーム６は光ディスク５３に収束せず、開口制限することができ、内周部１２ａを開口数ＮＡ３に相当する大きさに設定することにより、光ビーム６は開口数ＮＡ３で光ディスク５３に収束することになる。
次に、回折素子１２の外周部１２ｃにおいて、回折格子の深さｈ３は、内周部での回折格子の深さｈ１のｍ／３倍、例えば２／３倍である１．５９μｍに設定される。波長λ１が４０５ｎｍのときのＢＫ７の屈折率ｎ１は１．５３０２であり、上記（式１）のｈ、λ、ｎに、それぞれｈ３、λ１、ｎ１を代入すると、段差ｈ３により光ビーム４に発生する光路長の差は、約２．０８波長、すなわち位相差が約４．１６πラジアンになる。よって、光ビーム４の２次回折光の強度が最大となり、回折効率は、図５Ａに示すように、スカラー計算上約９９％となる。
このように、外周部１２ｃでは、回折格子の深さｈ３を、内周部１２ａでの回折格子の深さｈ１の２／３倍にすることにより、光ディスク５１に収束する光ビーム４は、内周部１２ａに対して、３次回折光から２次回折光へ、回折次数が２／３倍に変化する。前記同様、回折次数が変わっても、波長の変化に対する回折角の変化が一定になるよう、外周部１２ｃの回折格子のピッチＰを、３次回折光として設計したときの２／３倍に設定する。これにより、上記（式２）の回折角θは、３次回折光として設計したことと同等になり、波長の変化に対する回折角の変化は、内周部１２ａのそれと同じになる。よって、波長の変化に対する回折角の変化が一定になり、光ディスクに収束する光の位置にずれは発生しない。
一方、波長λ２の光ビーム５と、波長λ３の光ビーム６については、外周部１２ｃでの回折格子の深さｈ３が、内周部１２ａでの回折格子の深さｈ１の２／３になると、２次回折の２／３に対応する次数がないため、内周部１２ａでの回折光と同じ位置に収束する回折光が存在しなくなり、開口制限することができる。よって、中周部１２ｂを開口数ＮＡ２に相当する大きさにすることにより、光ビーム５は開口数ＮＡ２で光ディスク５２に収束することになる。光ビーム６も同様に、光ディスク５３に収束する回折光が無くなり、この外周部１２ｃにおいても開口制限することができる。
このように、波長λ１の光ビーム４は、回折素子１２の内周部１２ａ、中周部１２ｂ、および外周部１２ｃにて、それぞれ３次、６次、および２次回折光を光ディスク５１に収束させるために、最も大きい開口数ＮＡ１に設定される。波長λ２の光ビーム５は、内周部１２ａおよび中周部１２ｂにて、それぞれ２次、４次回折光を光ディスク５２に収束させて、外周部１２ｃからの回折光を光ディスク５２に収束させないために、開口数ＮＡ２に設定される。波長λ３の光ビーム６は、内周部１２ａからの２次回折光を光ディスク５３に収束させて、中周部１２ｂでの４次回折光の発生を抑え、外周部１２ｃからの回折光を光ディスク５３に収束させないために、開口数ＮＡ３に設定される。これにより、各光ディスクに対して最適な開口数の関係、すなわちＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３を実現できる。
以上の説明では、回折素子１２の外周部１２ｃにて、波長λ１の光ビーム４の２次回折光を利用したが、他の回折次数も利用することができる。この領域における光ビーム４の回折次数をｍとした場合、内周部１２ａの回折次数との比であるｍ／３が整数にならなければ、光ビーム５も光ビーム６も、内周部１２ａおよび中周部１２ｂの回折光とは異なる位置に収束する。つまり、回折次数ｍを３の倍数以外の整数に設定すれば、光ビーム５は光ディスク５２に収束する回折光が無くなり、光ビーム６は光ディスク５３に収束する回折光が無くなるため、開口制限することができる。
上記の構成では、光ビーム４、５、６は、いずれも回折素子１２によって波面変換される。したがって、回折素子１２と屈折型レンズ１３の相対位置に誤差があると、設計通りの波面が屈折型レンズ１３に入射せず、光ディスク５１、５２、５３へ入射する光の波面に収差が生じ、収束性能を劣化させる。このため、回折素子１２を屈折型レンズ１３と一体に形成することが望ましい。
図６は、本発明の実施の形態１における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。図６において、対物レンズ１４１を構成する屈折型レンズ１３１の表面に回折素子１２１が形成されている。回折素子１２１は、図２に示す回折素子１２と同じ働きをするものである。つまり、回折素子１２１の開口数ＮＡ３に相当する内周部の領域では、光ビーム４の３次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の２次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の２次回折光が保護層厚ｔ３の光ディスク５３に収束する。
また、回折素子１２１の開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する中周部の領域では、光ビーム４の６次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の４次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の４次回折光はほとんど発生せず、開口数ＮＡ３に開口制限される。
さらに、回折素子１２１の開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する外周部の領域では、ｍを３の倍数以外の整数とした場合、光ビーム４のｍ次回折光を保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５、６の回折光を、それぞれ光ディスク５２、５３に収束させないよう、回折素子１２１と屈折型レンズ１３１が構成される。
図２に示す対物レンズ１４の構成では、平面上に回折素子１２を形成し、凸レンズ作用を持たせたため、軸外性能が劣化するが、図６に示す対物レンズ１４１の構成のように、屈折型レンズ１３１の表面に回折素子１２１を形成することにより、軸外性能も良好になる。よって、回折素子と屈折型レンズの位置ずれがなく、軸外性能の良い、対物レンズを得ることができる。
また、図２に示す対物レンズ１４の構成は、回折素子１２に凸レンズ作用を持たせることにより、屈折型レンズ１３の色収差と、回折素子１２の色収差を相殺している。この色収差は、波長が設計波長から変化したときの、焦点距離の変化である。例えば、波長λ１がΔλ１だけ長くなると、屈折型レンズ１３の屈折率はΔｎ１だけ小さくなり、若干凸レンズ作用が小さくなるが、凸レンズ作用を持つ回折素子１２は、波長がΔλ１だけ長くなると、回折角はΔθだけ大きくなり、若干凸レンズ作用が大きくなって、波長の変化に対する焦点距離の変化を抑えることができる。
一方、光ディスク５１に光ビームを収束させる対物レンズ１４は、開口数ＮＡが大きく、光ディスク５３のみに光ビームを収束させる対物レンズに比べて作動距離が短くなる。このため、回折素子１２に凸レンズ作用を持たせると、保護層が厚い光ディスク５３に対して、作動距離を確保しづらくなる。図２の構成では、焦点距離を長くして、対物レンズ１４の作動距離を拡大しているが、焦点距離を長くすると、光ビーム径が大きくなり、光ヘッドの小型化には不利になる。これに対応するための構成を図７に示す。
図７は、本発明の実施の形態１における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。図７において、対物レンズ１４２は、回折素子１２２と屈折型レンズ１３２から成り、回折素子１２２に凹レンズ作用を持たせるよう構成される。回折素子１２２に凹レンズ作用を持たせた場合、前記色収差が発生し、波長の変化により焦点距離が変化するが、他の手段で補正することが可能である。例えば、コリメートレンズ１０（図１）の表面に回折素子を形成することにより、前記色収差を低減することができる。
図７において、回折素子１２２は、回折素子１２と同様に、内周部、中周部、および外周部にて、それぞれ回折格子の構成を変え、波長λ３、λ２の光を開口制限できるように成っており、凹レンズ作用を持たせることによって、光ディスク５３の記録／再生を行う場合の、光ビーム６の収束位置が、屈折型レンズ１３２から、より遠くに離れることになり、作動距離を拡大することができる。また、図６の構成のように、回折素子１２２を、屈折型レンズ１３２の表面に形成することにより、回折素子と屈折型レンズとの位置ずれがなく、軸外性能の良い、対物レンズを得ることができる。
なお、本実施の形態では、図１において、３ビーム用回折格子を光源からからビームスプリッター９までの間に配置することにより、光ディスク５１、５２、５３のトラッキング誤差信号を、よく知られたディファレンシャルプッシュプル（ＤＰＰ）法によって得ることも可能である。
また、コリメートレンズ１０を光軸方向（図１の左右方向）へ動かすことにより、光ビームのコリメート度合いを変化させることができる。光ディスク５１では、保護層の厚み誤差や、２層ディスクの層間厚みに起因して、従来の光ディスク以上に球面収差が発生するが、コリメートレンズ１０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。コリメートレンズ１０を動かすことによる球面収差の補正は、開口数ＮＡが０．８５である場合、±３０μｍ程度の保護層厚さを補正することができる。しかし、保護層厚０．１ｍｍに対応した対物レンズ１４を用いて、ＤＶＤの記録／再生を行う際には保護層差を０．５ｍｍ以上補償する必要があり、コリメートレンズ１０の移動だけでは、球面収差の補正能力が不足するため、本実施の形態のような波面変換が必要となる。
さらに、本実施の形態では、一例としてＢＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換について例示および説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ＨＤ−ＤＶＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換に対しても同様に適用できるものである。すなわち、保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．８５で記録／再生を行う例について説明したが、ＨＤ−ＤＶＤとの互換は、保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．６５で記録／再生を行うことにより実現できる。
以上のように、実施の形態１によれば、複数種の光ディスクに対して保護層厚の差による球面収差を補正し、各光ディスクに対応した開口数に設定することができる。また、対物レンズを１つの成形レンズで構成することも可能であり、安価で安定した収束性能を得ることができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態１の説明で用いた図２では、回折素子に凸レンズ作用を持たせることにより、色収差とりわけ焦点距離の波長依存性を相殺したが、波長の差を利用して、保護層の異なる光ディスクの球面収差を補正する構成であるため、波長が設計波長からずれると、球面収差が発生してしまう。
この球面収差を補正するための構成について、図８および図９を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態２における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。図８において、本実施の形態の対物レンズ１４３は、回折素子１２３と屈折型レンズ１３３から成り、実施の形態１の屈折型レンズ１３を屈折型レンズ１３３に変更した構成を有する。屈折型レンズ１３３には、入射光に位相差を生じさせる段差形状（ｓｔｅｐ−ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する位相段差（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｐａｔｔｅｒｎ）１３３ａが設けられている。図８において、位相段差１３３ａは光ディスクに対向しない屈折型レンズ１３３の表面に形成されている。このように、位相段差１３３ａを屈折型レンズ１３３と一体に形成することにより、屈折型レンズ１３３と位相段差１３３ａとの相対位置誤差を無くすことができる。
図９は、図８に示す位相段差１３３ａの部分拡大断面図である。図９において、位相段差１３３ａは、高さｈａの段差を複数有する。段差の高さｈａは、波長λ１の１０倍の光路長の差、言い換えると２０πラジアンの位相差を生じさせるように設定されている。つまり、位相段差１３３ａを形成する基材の、波長λ１に対する屈折率をｎ１とした場合、下記（式３）を満足するように段差の高さｈａが決定される。
ｈａ＝１０×λ１／（ｎ１−１） ・・・（式３）
例えば、前記基材をＢＫ７とし、波長λ１を４０５ｎｍとすると、屈折率ｎ１は１．５３０２になり、上記（式３）より、段差の高さｈａは７．６３９μｍとなる。
この高さｈａの段差に、波長λの光が入射する場合、波長λに対する光路長の差を波長のｋ倍とすると、
１０×λ１／（ｎ１−１）＝ｋ×λ／（ｎ−１） ・・・（式４）
が成り立つ。高さｈａの段差に波長λ２として６５５ｎｍの光が入射する場合、波長λ２の光に対するＢＫ７の屈折率ｎ２は１．５１４４であるので、上記（式４）のλ、ｎにλ２、ｎ２を代入すると、ｋは６．０となり、光路長の差は波長の６倍となる。すなわち、波長λ１の光に対して波長の１０倍の光路長の差を生じさせる段差は、波長λ２の光に対しては波長の６倍の光路長の差を生じさせることになる。
また、高さｈａの段差に波長λ３として７８０ｎｍの光が入射する場合、波長λ３の光に対するＢＫ７の屈折率は１．５１１２であるので、上記（式４）のλ、ｎにλ３、ｎ３を代入すると、ｋは５．０となり、光路長の差は波長の５倍となる。すなわち、波長λ１の光に対して波長の１０倍の光路長の差を生じさせる段差は、波長λ３の光に対しては波長の５倍の光路長の差を生じさせることになる。
波長の整数倍の光路長の差が生じる位相変化は、２πラジアンの整数倍であり、実質的には位相差を生じない。したがって、波長λ１、λ２、λ３の設計波長に対しては、波面の変化が生じない。そして、レーザ光源の波長ばらつき等により、設計波長から数ｎｍ程度の波長変化が起こると、光路長の差が波長の整数倍からずれるため、位相変化が生じる。位相段差は、図８に示すように基材の内部へと堀込んで形成することも、逆に、基材の外側へと盛り上げて形成することもできるので、波長ずれに対する位相変化の方向も自由に設定できる。例えば、波長λ１の光であれば、波長１ｎｍの変化に対する位相変化ΔΦ１は、
ΔΦ１＝２０π／４０５＝０．０４９π（ラジアン）
である。レンズや回折素子によって生じる波長１ｎｍあたりの位相変化が、０．０４９πラジアンになる位置ごとに、高さｈａの段差を積み重ねて形成することによって、波長変化による収差を補正することができる。また、波長λ２の光に対しては、波長１ｎｍの変化に対する位相変化ΔΦ２は、
ΔΦ２＝１２π／６５５＝０．０１８π（ラジアン）
である。さらに、波長λ３の光に対しては、波長１ｎｍの変化に対する位相変化ΔΦ３は、
ΔΦ３＝１０π／７８０＝０．０１３π（ラジアン）
である。波長λ１の光に比べて波長λ２、λ３の光では、位相変化が小さいが、レンズや回折素子によって生じる波長１ｎｍ変化あたりの収差も小さいので問題はない。
位相段差１３３ａは高さｈａを１単位とするが、その整数倍（２倍、３倍・・・）を１単位としても設計波長に対して波面変化を与えず、それぞれからの波長変化に対してのみ波面を変化させることができる。
また、保護層厚の補正は、実施の形態１と同様に、回折素子１２３の開口数ＮＡ３に相当する内周部では、光ビーム４の３次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の２次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の２次回折光が保護層厚ｔ３の光ディスク５３に収束するよう行われる。また、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する中周部では、光ビーム４の６次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５の４次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム６の４次回折光はほとんど発生せず、開口数ＮＡ３に開口制限される。さらに、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する外周部では、ｍを３の倍数以外の整数として、光ビーム４のｍ次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５１に収束し、光ビーム５と光ビーム６の回折光は、それぞれ光ディスク５２、光ディスク５３に収束させないよう、回折素子１２３と屈折型レンズ１３３が構成される。
図１０は、本発明の実施の形態２における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。図１０において、本実施の形態の対物レンズ１４４は、基板表面に位相段差１２４ｄが形成された回折素子１２４と、屈折型レンズ１３４とから構成される。図１１は、図１０に示す位相段差１２４ｄの部分拡大断面図である。
位相段差１２４ｄは、図８に示す位相段差１３３ａと同様の構成を有し、同じ働きをする。つまり、位相段差１２４ｄは、波長λ１の光に対して波長の１０倍の光路長の差を与える高さｈａの段差を、積み重ねて形成され、波長λ２の光に対しては波長の６倍の光路長の差を生じ、波長λ３の光に対しては波長の５倍の光路長の差を生じさせる。波長の整数倍の光路長の差があっても、実質的には位相差を生じないが、波長が設計波長から変化すると、光路長の差が波長の整数倍からずれて、位相変化が生じる。この位相変化を用いることで、波長変化に起因した収差が補正される。
図１２は、本発明の実施の形態２に係る対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。図１２において、本実施の形態の対物レンズ１４５は、基板表面に回折素子と位相段差１３５ａが一体に形成された屈折型レンズ１３５から構成される。図１３は、図１２に示す回折素子と位相段差１３５ａの部分拡大断面図である。
回折素子と位相段差１３５ａは、図８に示す回折素子１２３および位相段差１３３ａと同じ働きをする。すなわち、回折素子は、保護層厚の差による球面収差の補正を行い、位相段差は、波長λ１の光に対しては１０倍の光路長の差を生じ、波長λ２の光に対しては波長の６倍の光路長の差を生じ、波長λ３の光に対しては波長の５倍の光路長の差を生じさせる高さｈａの段差を積み重ねて、波長変化による収差を補正するように構成される。
以上の説明では、回折素子に凸レンズ作用を持たせている。これは、図２で説明したように、回折素子の凸レンズ作用により、色収差に起因した焦点距離変化を補正するためである。よって、色収差に起因した焦点距離変化を回折素子により補正し、色収差に起因した球面収差を位相段差により補正することにより、設計どおりの性能を得ることができる。なお、実施の形態１と同様に、回折素子に凹レンズ作用を持たせるとことにより、保護層が厚い光ディスク５３の記録／再生を行うときの作動距離を確保し、波長変化に対する焦点距離変化を、回折素子を設けたコリメータレンズ等により低減することもできる。
なお、本実施の形態では、一例としてＢＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換について例示および説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ＨＤ−ＤＶＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換に対しても同様に適用できるものである。すなわち、保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．８５で記録／再生を行う例について説明したが、ＨＤ−ＤＶＤとの互換は、保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．６５で記録／再生を行うことにより実現できる。
以上のように、本実施の形態では、異種ディスクの互換を実現し、さらに、色収差による球面収差も補正でき、波長の変化に対しても、安定に情報の再生や記録を行うことができる。回折素子と位相段差だけで、異種ディスクの互換と色収差補正の問題を解決することができる。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３を説明する。図１４は、本発明の実施の形態３に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。図１４において、２１は波長λ１（略４０５ｎｍ）の光を出射する青色レーザ光源を示し、２２は波長λ２（略６５５ｎｍ）の光と、波長λ３（略７８０ｎｍ）の光を出射する２波長レーザ光源を示す。２８は回折レンズを示し、回折作用と屈折作用をもっており凸レンズとして作用する。３０はコリメートレンズ、３４は対物レンズを示し、対物レンズ３４は、回折素子３２と屈折型レンズ３３とで構成されている。
５４は保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクを示し、波長λ１の光ビームによって、開口数ＮＡ１で記録／再生される光情報媒体、例えばＨＤ−ＤＶＤ用の光ディスクである。５２は保護層厚ｔ２が約０．６ｍｍの光ディスクを示し、波長λ２の光ビームによって、開口数ＮＡ２で記録／再生される光情報媒体、例えばＤＶＤ用の光ディスクである。５３は保護層厚ｔ３が約１．２ｍｍの光ディスクを示し、波長λ３の光ビームによって、開口数ＮＡ３で記録／再生される光情報媒体、例えばＣＤ用の光ディスクである。これらの光ディスクにおける開口数はＮＡ１が０．６５、ＮＡ２が０．６、ＮＡ３が０．４５から０．５である。図１４において、光ディスク５４（実線）、５２（破線）５３（一点鎖線）は、例示の明瞭化のため、光ビームが入射する面から情報記録面までの保護層のみを示している。
記録密度の高い光ディスク５４の記録／再生を行う際には、青色レーザ光源２１から出射した波長λ１の光ビーム２３がプリズム２６を透過して、プリズム２９に入射する。プリズム２６は、波長λ１の光に対して、一方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する偏光分離特性をもった光路分岐素子であり、青色レーザ光源２１から出射した光ビーム２３の偏光方向は、プリズム２６を透過するよう設定されている。また、プリズム２９は、波長λ１の光を反射し、波長λ２、λ３の光を透過する光路分岐素子である。プリズム２９に入射した光ビーム２３は、プリズム２９で反射して、コリメートレンズ３０よって集光され略平行光になり、波長板３１により直線偏光から円偏光に変換される。波長板３１は、波長λ１、λ２の光に対しては、１／４波長板として作用し、波長λ３の光に対しては波長板として作用しないよう構成されている。さらに光ビーム２３は、回折素子３２と屈折型レンズ３３から成る対物レンズ３４によって絞られ、保護層厚ｔ１を通して、光ディスク５４の情報記録面に収束する。
光ディスク５４の情報記録面で反射した光ビーム２３は、もとの光路を逆にたどって、波長板３１により往路とは直角方向の直線偏光に変換されて、プリズム２９とプリズム２６で反射する。次に検出レンズ３５により非点収差が与えられ、光学倍率が変換されて、光検出器３６に入射する。光検出器３６からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。フォーカス誤差信号は、例えば非点収差法により、またトラッキング誤差信号は、例えばプッシュプル法により得ることができる。
次に、光ディスク５２の記録／再生を行う際には、２波長レーザ光源２２から出射した波長λ２の光ビーム２４がプリズム２７を透過し、回折レンズ２８により凸レンズ作用を受け、プリズム２９を透過する。プリズム２７は、波長λ２の光に対して、一方向の直線偏光を反射し、それと直角方向の直線偏光を透過する偏光分離特性をもち、波長λ３の光に対しては一部の光を透過し、一部の光を反射するハーフミラー特性を持った光路分岐素子であり、２波長レーザ光源２２から出射した光ビーム２４の偏光方向はプリズム２７を透過するよう設定されている。また、回折レンズ２８の表面には、回折素子２８ａが形成され、波長λ２の光は、波長λ３の光よりも凸レンズ作用を大きく受ける。プリズム２９を透過した光ビーム２４は、コリメートレンズ３０よって集光され略平行光になり、波長板３１により直線偏光から円偏光に変換される。さらに光ビーム２４は、回折素子３２と屈折型レンズ３３から成る対物レンズ３４によって絞られ、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の情報記録面に収束する。
光ディスク５２の情報記録面で反射した光ビーム２４は、もとの光路を逆にたどって、波長板３１により往路とは直角方向の直線偏光に変換され、プリズム２９を透過して、プリズム２７で反射する。次に、検出レンズ３７により非点収差が与えられ、光学倍率が変換されて、光検出器３８に入射する。光検出器３８からの出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
次に、光ディスク５３の記録／再生を行う際には、２波長レーザ光源２２から出射した波長λ３の光ビーム２５の一部がプリズム２７を透過し、回折レンズ２８により凸レンズ作用を受け、プリズム２９を透過する。
波長λ３の光は、波長λ２の光よりも小さい凸レンズ作用を受け、コリメートレンズ３０で屈折した光ビーム２５は、発散光になる。さらに、光ビーム２５は、波長板３１を透過して、回折素子３２と屈折型レンズ３３からなる対物レンズ３４によって絞られ、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の情報記録面に収束する。
光ディスク５３の情報記録面で反射した光ビーム２５は、もとの光路を逆にたどって、プリズム２７で一部の光が反射し、検出レンズ３７により非点収差が与えられ、光学倍率が変換されて、光検出器３８に入射する。光検出器３８の出力信号に演算処理を施すことによって、フォーカス制御に用いられるフォーカス誤差信号、およびトラッキング制御に用いられるトラッキング誤差信号を含めたサーボ信号と、画像および音声情報などの情報信号とが得られる。
次に、図１５と図１６を用いて、回折素子３２および屈折型レンズ３３の働きと構成を説明する。図１５は、本発明の実施の形態３おける対物レンズ３４の一例を示す拡大断面図であり、対物レンズ３４を構成する回折素子３２と屈折型レンズ３３により収束する光の伝搬を示す。図１５において、対物レンズ３４は開口数ＮＡ１が０．６５に設定されており、回折素子３２の回折次数は、実施の形態１の回折素子１２と同様である。屈折型レンズ３３は、回折素子３２によって回折作用を受けた光ビーム２３を、保護層厚ｔ１を通して光ディスク５４の記録面上へ収束し、波長の違いによる回折作用の差を利用して、波長λ２の光ビーム２４を、保護層厚ｔ２を通して光ディスク５２の記録面上へ収束し、波長λ３の光ビーム２５を、保護層厚ｔ３を通して光ディスク５３の記録面上へ収束するように構成されている。
光ビーム２３は実線で示す光路を伝搬して点Ｑ４に収束し、光ビーム２４は破線で示す光路を伝搬して点Ｑ５に収束し、光ビーム２５は一点鎖線で示す光路を伝搬して点Ｑ６に収束する。保護層厚が同じである光ディスク５４と５２に対して、異なる波長により記録／再生を行うため、回折素子３２は、屈折型レンズ３３の波長の差で発生する収差を補正することになる。このため、回折素子３２の回折だけでは、光ディスク５３の保護層で発生する球面収差を十分に補正できず、光ビーム２５を発散光にして補正している。実施の形態１および２においても、光ディスク５３の保護層で発生する球面収差を補正するため、光ビーム６を発散光にしてもよい。このように構成した場合、作動距離を拡大する点で効果がある。
図１６は、図１５に示す回折素子３２の平面（紙面上側）、および断面（紙面下側）を示す図である。図１６に示すように、回折素子３２の回折格子は同心円状をなし、内周部３２ａと、中周部３２ｂと、外周部３２ｃとで回折格子の構成が異なっている。回折素子３２の内周部３２ａは、開口数ＮＡ３に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム２３に対しては３次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム２４に対しては２次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム２５に対しては２次回折光を最も強く発生する格子形状を有する。
そして、光ビーム２３の３次回折光が、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の２次回折光は、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５２に収束し、光ビーム２５の２次回折光が、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５３に収束する。回折格子の深さｈ１を実施の形態１のそれと同じ２．３８μｍに設定することにより、同様の回折次数で同様の強度を得ることができる。なお、光ビーム２５は、発散光で回折素子３２に入射するが、入射角が小さいため、回折次数と強度に関しては、実施の形態１とほぼ同等である。
回折素子３２の中周部３２ｂは、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム２３に対しては６次回折光を最も強く発生し、波長λ２の光ビーム２４に対しては４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光ビーム２５に対しては３次回折光を最も強く発生して４次回折光はほとんど発生しない格子形状を有する。
そして、光ビーム２３の６次回折光が、屈折型レンズ３３を通して光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の４次回折光が、屈折型レンズ３３を通して光ディスク５２に収束する。中周部３２ｂの回折格子の深さｈ２を、実施の形態１のそれと同じく、内周部３２ａの回折格子の深さｈ１の２倍である４．７６μｍに設定することにより、同様の回折次数で同様の強度を得ることができる。よって、波長λ３が７８０ｎｍのとき、３次回折光が最大になって、４次回折光はほとんど発生しない。
回折素子３２の外周部３２ｃは、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する部分であり、波長λ１の光ビーム２３に対して、ｍ（ｍは３の倍数以外の整数で、例えば２）次回折光を最も強く発生する格子形状を有する。この光ビーム２３の２次回折光が、屈折型レンズ３３を通して、光ディスク５４に収束する。外周部３２ｃの回折格子の深さｈ３を、実施の形態１のそれと同じく、１．５９μｍに設定すると、波長λ１の光は２次回折光の強度が最大となる。光ビーム２４、２５については、外周部３２ｃの回折格子の深さｈ３を、内周部３２ａの回折格子の深さｈ１のｍ／３倍、例えば２／３倍に設定した場合、２次回折の２／３に対応する次数がないため、光ディスク５２、５３に収束する回折光が無くなり、開口制限することができる。
回折素子３２の内周部３２ａと、中周部３２ｂと、外周部３２ｃとでは回折次数が変わるが、回折格子のピッチＰを、実施の形態１のそれと同様に設定することにより、波長変化に対する回折角の変化を一定にすることができる。これにより、波長が変化しても光ディスクに収束する光の位置にずれが発生せず、保護層厚の差による収差を補正できる。この結果、光ビーム２３、２４、２５は、回折素子３２と屈折型レンズ３３を通して、各々に合った開口数で、光ディスク５４、５２、５３に収束できる。
また、回折素子３２の外周部３２ｃにおいて、光ビーム２３の２次回折光を利用したが、他の回折次数も利用することができる。この領域における光ビーム２３の回折次数をｍとした場合、内周部３２ａの回折次数との比、ｍ／３が整数にならなければ、光ビーム２４も光ビーム２５も、内周部３２ａおよび中周部３２ｂの回折光とは異なる位置に収束する。つまり、次数ｍを３の倍数以外の整数に設定すれば、光ビーム２４は、光ディスク５２に収束する回折光が無くなり、光ビーム２５は、光ディスク５３に収束する回折光が無くなるため、開口制限することができる。
次に、図１４に示す回折レンズ２８の働きについて、図１７を用いて説明する。図１７は、回折レンズ２８とコリメートレンズ３０を伝搬する光ビーム２４、２５の様子を示す図である。図１７において、回折素子２８ａは凹レンズ作用をもち、回折レンズ２８は、回折素子２８ａの凹レンズ作用と、屈折によるレンズ作用とが合わさって凸レンズ作用をもたらす。波長λ３の光は波長λ２の光よりも波長が長いため、回折素子２８ａによる回折効果が大きく、凹レンズ作用が大きくなる。このため、波長λ３の光が回折レンズ２８で受ける凸レンズ作用は、波長λ２の光が受ける凸レンズ作用より小さくなる。
一方、回折レンズ２８とコリメートレンズ３０は、波長λ２の光ビーム２４を集光して略平行光になるよう構成されている。このため、回折レンズ２８で受ける凸レンズ作用が小さい波長λ３の光ビーム２５は、コリメートレンズ３０で集光しても平行光にはならず、発散光になる。よって、光ビーム２４は略平行光として、光ビーム２５は発散光として、対物レンズ３４に入射し、前記のような動作をする。
上記の構成では、回折素子３２と屈折型レンズ３３との相対位置に誤差があると、設計通りの波面が屈折型レンズ３３に入射せず、光ディスク５４、５２、５３へ入射する光の波面に収差が生じ、収束性能を劣化させる。このため、回折素子３２を屈折型レンズ３３と一体に形成することが望ましい。
図１８は、本発明の実施の形態３における対物レンズの変形例を示す拡大断面図であり、対物レンズ３４１を構成する屈折型レンズ３３１の表面に、回折素子３２１が形成されている。図１８において、回折素子３２１は、図１５の回折素子３２と同じ働きをするものである。
つまり、回折素子３２１の開口数ＮＡ３に相当する内周部の領域では、光ビーム２３の３次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の２次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム２５の２次回折光が保護層厚ｔ３の光ディスク５３に収束する。
また、回折素子３２１の開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する中周部の領域では、光ビーム２３の６次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５４に収束し、光ビーム２４の４次回折光が保護層厚ｔ２の光ディスク５２に収束し、光ビーム２５の４次回折光はほとんど発生せず、開口数ＮＡ３に開口制限される。
さらに、回折素子３２１の開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する外周部の領域では、回折次数ｍを３の倍数以外の整数に設定した場合、光ビーム２３のｍ次回折光が保護層厚ｔ１の光ディスク５４に収束し、光ビーム２４、２５の回折光が、それぞれ光ディスク５２、５３に収束しないよう、回折素子３２１と屈折型レンズ３３１が構成される。
図１５に示す対物レンズ３４の構成では、平面上に回折素子３２を形成し、凸レンズ作用を持たせたため、回折素子３２に入射する光が傾くと収束性能が劣化する、いわゆる軸外性能が悪いが、図１８に示す対物レンズ３４１の構成では、レンズ面に回折素子を形成するため、軸外性能も良好になる。このように構成することにより、回折素子と屈折型レンズの位置ずれがなく、軸外性能の良い、対物レンズを得ることができる。
なお、本実施の形態では、一例としてＨＤ−ＤＶＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換について例示および説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ＢＤと、ＤＶＤと、ＣＤとの互換に対しても同様に適用できるものである。すなわち、保護層厚ｔ１が約０．６ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．６５で記録／再生を行う例について説明したが、ＢＤとの互換は、保護層厚ｔ１が約０．１ｍｍの光ディスクに対して、開口数０．８５で記録／再生を行うことにより実現できる。
さらに、実施の形態２と同様に、図１５に示す回折素子３２あるいは屈折レンズ３３に、波長λ１の波長の１０倍である高さｈａの位相段差を設けることにより、波長が設計波長から変化した場合の球面収差を低減することができる。図１９は、本発明の実施の形態３における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。図１９において、本実施の形態の対物レンズ３４２は、表面に位相段差と回折素子３２２が形成された屈折型レンズ３３２から成る。対物レンズ３４２の構成および作用は、実施の形態２の説明で用いた図１２に示す対物レンズ１４５のそれらと同様である。よって、詳細な説明は省略する。
以上のように、実施の形態３によれば、２波長レーザ光源を用い、複数種の光ディスクに対して保護層厚の差による球面収差を補正して、各光ディスクに対応した開口数に設定することができる。また、対物レンズを１つの成形レンズで構成することも可能であり、安価で安定した収束性能を得ることができる。
（実施の形態４）
図２０は、本発明の実施の形態４に係る光ディスク装置の概略構成を示す断面図である。図２０において、光ディスク１００は、ターンテーブル１０５に搭載され、モータ１０４によって回転される。実施の形態１、２または３にて例示および説明した光ヘッド１０２は、光ディスク１００の所望の情報が存在するトラック位置まで、駆動装置１０１によって移送される。
光ヘッド１０２は、光ディスク１００との位置関係に対応して、フォーカス誤差信号ＦＥおよびトラッキング誤差信号ＴＥを電気回路１０３へ送る。電気回路１０３は、これらの信号ＦＥ、ＴＥに基づいて、光ヘッド１０２へ、光ヘッド１０２内の対物レンズを駆動させるための信号ＬＣを送る。この信号ＬＣに応じて、光ヘッド１０２は、光ディスク１００に対してフォーカス制御とトラッキング制御とを行い、情報の読み出し、書き込み又は消去を行う。
以上の説明において、搭載する光ディスク１００は、保護層厚がｔ１、ｔ２、ｔ３のいずれかの光ディスクである。本実施の形態の光ディスク装置１０７は、実施の形態１、２または３の光ヘッドを用いるので、１つの光ヘッドにより、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。
（実施の形態５）
図２１は、本発明の実施の形態５に係るコンピュータの概略構成を示す斜視図である。図２１において、コンピュータ１０９は、実施の形態４に係る光ディスク装置１０７と、情報の入力を行うためのキーボード１１１およびマウス１１２などの入力装置と、入力装置から入力された情報や、光ディスク装置１０７から読み出した情報などに基づいて、各種演算を行うＣＰＵなどの演算装置１０８と、演算装置１０８によって演算された結果の情報を表示するブラウン管や、液晶表示装置などの出力装置１１０とから構成される。
本実施の形態に係るコンピュータは、実施の形態４に係る光ディスク装置１０７を備えており、異なる種類の光ディスクに対して安定に情報を記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。
（実施の形態６）
図２２は、本発明の実施の形態６に係る光ディスクレコーダの概略構成を示す斜視図である。図２２において、光ディスクレコーダ１１５は、実施の形態４に係る光ディスク装置１０７と、映像および／または音声信号を光ディスクへの記録信号に変換し、この記録信号を光ディスク装置に送る記録信号処理回路１１３と、光ディスク装置１０７から得られた再生信号を映像および／または音声信号に変換する再生信号処理回路１１４とから構成される。この構成によれば、既に記録した部分を再生することも可能となる。さらに、光ディスクレコーダ１１５は、情報を表示するブラウン管、液晶表示装置などの出力装置１１０を備えてもよい。
本実施の形態に係る光ディスクレコーダは、前記実施の形態４に係る光ディスク装置１０７を備えており、異なる種類の光ディスクに対して安定に情報を記録又は再生できるので、広い用途に使用できる。
本発明の特徴的構成をまとめると、以下のようになる。
本発明に係る光ヘッドは、波長λ１の光を出射する第１の光源と、波長λ２の光を出射する第２の光源と、波長λ３の光を出射する第３の光源と、第１の光ディスクに対しては波長λ１の光を開口数ＮＡ１で収束し、第２の光ディスクに対しては波長λ２の光を開口数ＮＡ２で収束し、第３の光ディスクに対しては波長λ３の光を開口数ＮＡ３で収束する対物レンズと、前記第１、第２および第３の光ディスクからの反射光を検出する少なくとも１つの光検出器とを備え、前記対物レンズは、少なくとも回折素子と屈折型レンズから成り、ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３の関係にある開口数を有し、前記回折素子は、前記開口数ＮＡ３に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として３次回折光を最も強く発生し、前記第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として２次回折光を最も強く発生し、前記第３の光ディスクに収束する波長λ３の光として２次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、前記開口数ＮＡ３から前記開口数ＮＡ２に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として６次回折光を最も強く発生し、前記第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光に対しては３次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、前記開口数ＮＡ２から前記開口数ＮＡ１に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光としてｍ次回折光を最も強く発生する格子形状を有する回折格子から成ることを特徴とする。
この構成によれば、光学フィルター等の開口制限手段を新たに設けなくとも、前記回折素子と前記屈折型レンズから成る１つの対物レンズを用いるだけで、波長λ１の光の３次回折光、６次回折光、およびｍ次回折光を開口数ＮＡ１で第１の光ディスクに収束させ、波長λ２の光の２次回折光および４次回折光を開口数ＮＡ２で第２の光ディスクに収束させ、波長λ３の光の２次回折光を開口数ＮＡ３で第３の光ディスクに収束させて、安定に情報を記録／再生することができる。
本発明に係る光ヘッドはさらに、前記波長λ２の光と波長λ３の光を回折する回折レンズを備えることが好ましい。
この構成によれば、各光ディスクに入射する光ビームの開口数を設定でき、波長λ２と波長λ３の２波長光源を用いた光学系において、波長λ３の光を発散光にして、前記対物レンズに入射させることができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折レンズは、回折作用と屈折作用を有する凸レンズであり、波長λ２の光に対し波長λ３の光よりも大きな凸レンズ作用を与える構造を有することが好ましい。
この構成によれば、波長λ３の光を発散光にすることで、第３の光ディスクの保護層で発生する球面収差を補正することができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記対物レンズは、前記回折素子と、前記屈折型レンズと、入射光に位相差を生じさせる段差を複数有する位相段差とから成り、前記位相段差は、１段の深さを波長λ１の光が透過する際に生じる光路長の差が波長λ１の１０倍である構造を有することが好ましい。
この構成によれば、波長λ１が変化したときに第１の光ディスクの保護層で発生する球面収差を抑えることができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記位相段差は、前記回折素子と一体に形成されることが好ましい。
この構成によれば、色収差に起因した焦点距離の変化を回折素子により補正し、色収差に起因した球面収差を位相段差により補正することが、小型で安価な構成により実現できる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子は、前記屈折型レンズの表面に形成されることが好ましい。
この構成によれば、回折素子と屈折型レンズの位置ずれをなくし、軸外性能の良好な対物レンズを小型で安価に実現できる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記位相段差と前記回折素子は、前記屈折型レンズの表面に形成されることが好ましい。
この構成によれば、色収差に起因した焦点距離の変化を回折素子により補正し、色収差に起因した球面収差を位相段差により補正でき、また回折素子と屈折型レンズの位置ずれをなくし、軸外性能の良好な対物レンズを小型で安価に実現できる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記保護層の厚みｔ１、ｔ２およびｔ３は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３の関係にあることが好ましい。また、前記保護層の厚みｔ１が略０．１ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ３が略１．２ｍｍであることが好ましい。さらに、前記開口数ＮＡ１が０．８５であり、前記開口数ＮＡ２が０．６であり、前記開口数ＮＡ３が０．４５と０．５との間であることが好ましい。
この構成によれば、１つの対物レンズで、保護層の厚みの異なるＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤの記録／再生を行うことができる。
または、本発明に係る光ヘッドにおいて、前記保護層の厚みｔ１、ｔ２およびｔ３は、ｔ１＝ｔ２＜ｔ３の関係にあることが好ましい。また、前記保護層の厚みｔ１が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ３が略１．２ｍｍであることが好ましい。さらに、前記開口数ＮＡ１が０．６５であり、前記開口数ＮＡ２が０．６であり、前記開口数ＮＡ３が０．４５と０．５との間であることが好ましい。
この構成によれば、１つの対物レンズで、保護層の厚みの異なるＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤ、およびＣＤの記録／再生を行うことができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折格子は、同心円を成し、鋸歯状の断面形状を有することが好ましい。
この構成によれば、波長λ１、λ２、λ３の光の回折効率を向上させることができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折格子は、前記開口数ＮＡ３に相当する領域にて、波長λ１の光に対して３波長以上の光路長を与え、波長λ２の光に対して２波長以下の光路長を与える深さｈ１を有し、前記開口数ＮＡ３から前記開口数ＮＡ２に相当する領域にて、前記深さｈ１の２倍の光路長を与える深さｈ２を有し、前記開口数ＮＡ２から前記開口数ＮＡ１に相当する領域にて、波長λ１の光に対してｍ波長の光路長を与える深さｈ３を有し、波長λ１の前記３次回折光と前記６次回折光と前記ｍ次回折光を前記第１の光ディスクに収束し、波長λ２の前記２次回折光と前記４次回折光を前記第２の光ディスクに収束し、波長λ３の前記２次回折光を前記第３の光ディスクに収束するように、前記各領域にて異なるピッチを有することが好ましい。
この構成によれば、回折素子により開口制限を受ける複数の領域で光の回折次数を変えたとしても、波長の変化に対する回折角の変化が一定になり、光ディスクに収束する光の位置にずれがなくなる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記ｍ次回折光の次数ｍは、３の倍数以外の整数に設定されることが好ましい。
この構成によれば、回折素子の開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する領域にて、第２および第３の波長の光はそれぞれ、第２および第３の光ディスクに収束する回折光が無くなるので、開口制限することができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子の開口数がＮＡ３からＮＡ２に相当する領域の回折格子のピッチを、波長λ１の３次回折光として設計したときの２倍に設定することが好ましい。
この構成によれば、開口数ＮＡ３からＮＡ２に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化が、開口数ＮＡ３に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化と同じになる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子の開口数がＮＡ２からＮＡ１に相当する領域の回折格子のピッチを、波長λ１の３次回折光として設計したときのｍ／３倍に設定することが好ましい。
この構成によれば、開口数ＮＡ２からＮＡ１に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化が、開口数ＮＡ３に相当する領域での波長の変化に対する回折角の変化と同じになる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記回折素子は、凸レンズ作用を有することが好ましい。
この構成によれば、屈折型レンズの色収差を回折素子の色収差で相殺することで、波長の変化に対する焦点距離の変化を低減することができる。
本発明に係る光ヘッドにおいて、前記波長λ１は４０５ｎｍ近傍であり、前記波長λ２は６５５ｎｍ近傍であり、前記波長λ３は７８０ｎｍ近傍である。
本発明に係る対物レンズは、前記回折素子と前記屈折型レンズから成ることを特徴とする。
本発明に係る光ディスク装置は、本発明に係る光ヘッドと、前記第１、第２または第３の光ディスクを回転するモータと、前記光ヘッドから得られる信号に基づいて、前記モータ、前記光ヘッドに含まれる光学レンズ、及び前記第１、第２または第３の光源の少なくともいずれかを制御および駆動する電気回路とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、本発明に係る光ヘッドを備えているので、記録密度の異なる複数の光ディスクに対応することができる。
本発明に係るコンピュータは、本発明に係る光ディスク装置と、入力された情報、及び前記光ディスク装置から再生された情報の少なくともいずれかに基づいて演算を行う演算装置と、前記入力された情報、前記光ディスク装置から再生された情報、及び前記演算装置によって演算された結果の少なくともいずれかを出力する出力装置とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、本発明に係る光ディスク装置を備えており、記録密度の異なる複数の光ディスクに対して安定に情報を記録または再生できるので、広い用途に適応できる。
本発明に係る光ディスクレコーダは、本発明に係る光ディスク装置と、映像および音声信号の少なくとも１つを前記第１、第２または第３の光ディスクへの記録信号に変換し、前記光ディスク装置に送る記録用信号処理回路と、前記光ディスク装置から得られた再生信号を映像および音声信号の少なくとも１つに変換する再生用信号処理回路とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、本発明に係る光ディスク装置を備えており、記録密度の異なる複数の光ディスクに対して安定に映像および／または音声を記録または再生できるので、広い用途に適応できる。
本発明にかかる光ヘッドは、光学フィルター等の開口制限手段なしに、１つの対物レンズを用いて、各光ディスクの保護層厚の差に起因した球面収差を補正でき、異なる種類のディスクの互換再生および互換記録を安定かつ安価に実現できるという利点を有し、光ディスク装置、コンピュータ、光ディスクレコーダなどの機器に適用した場合に有用である。
本発明の実施の形態１に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１における回折素子の平面（紙面上側）および断面（紙面下側）を示す図である。 本発明の実施の形態１における回折素子の物理的な断面形状（ＤＧ）、回折素子を透過する波長λ１、λ２、およびλ３の光の位相変化（ＰＣ（λ１）、ＰＣ（λ２）、およびＰＣ（λ３））を示す図である。 本発明の実施の形態１における回折格子の深さ（ｈ）に対する波長λ１の光の回折効率をプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態１における回折格子の深さ（ｈ）に対する波長λ２の光の回折効率をプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態１における回折格子の深さ（ｈ）に対する波長λ３の光の回折効率をプロットしたグラフである。 本発明の実施の形態１における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２における位相段差の一例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２における位相段差の変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態２における位相段差の他の変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る光ヘッドの全体構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態における回折素子の平面（上側）および断面（下側）を示す図である。 本発明の実施の形態３における回折レンズとコリメートレンズを伝搬する光ビームの様子を示す図である。 本発明の実施の形態３における対物レンズの変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態３における対物レンズの他の変形例を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態４に係る光ディスク装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係るコンピュータの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態６に係る光ディスクレコーダの概略構成を示す斜視図である。 第１の従来例の光ヘッド装置の一例の概略構成を示す断面図である。 第１の従来例の光ヘッド装置における対物レンズの一例を示す拡大断面図である。 第２の従来例の光ヘッド装置の一例の概略構成を示す断面図である。 第４の従来例の光ヘッド装置の一例の概略構成を示す断面図である。 第４の従来例の光ヘッド装置における回折素子の部分拡大断面図である。

Claims (24)

  1. 波長λ１の光を出射する第１の光源と、
    波長λ２の光を出射する第２の光源と、
    波長λ３の光を出射する第３の光源と、
    第１の光ディスクに対しては波長λ１の光を開口数ＮＡ１で収束し、第２の光ディスクに対しては波長λ２の光を開口数ＮＡ２で収束し、第３の光ディスクに対しては波長λ３の光を開口数ＮＡ３で収束する対物レンズと、
    前記第１、第２および第３の光ディスクからの反射光を検出する少なくとも１つの光検出器とを備え、
    前記対物レンズは、少なくとも回折素子と屈折型レンズから成り、ＮＡ１＞ＮＡ２＞ＮＡ３の関係にある開口数を有し、
    前記回折素子は、
    前記開口数ＮＡ３に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として３次回折光を最も強く発生し、前記第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として２次回折光を最も強く発生し、前記第３の光ディスクに収束する波長λ３の光として２次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、
    前記開口数ＮＡ３から前記開口数ＮＡ２に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光として６次回折光を最も強く発生し、前記第２の光ディスクに収束する波長λ２の光として４次回折光を最も強く発生し、波長λ３の光に対しては３次回折光を最も強く発生する格子形状を有し、
    前記開口数ＮＡ２から前記開口数ＮＡ１に相当する領域にて、前記第１の光ディスクに収束する波長λ１の光としてｍ次回折光を最も強く発生する格子形状を有する回折格子から成ることを特徴とする光ヘッド。
  2. 前記光ヘッドはさらに、前記波長λ２の光と波長λ３の光を回折する回折レンズを備える請求項１記載の光ヘッド。
  3. 前記回折レンズは、回折作用と屈折作用を有する凸レンズであり、波長λ２の光に対し波長λ３の光よりも大きな凸レンズ作用を与える構造を有する請求項２記載の光ヘッド。
  4. 前記対物レンズは、前記回折素子と、前記屈折型レンズと、入射光に位相差を生じさせる段差を複数有する位相段差とから成り、前記位相段差は、１段の深さを波長λ１の光が透過する際に生じる光路長の差が波長λ１の１０倍である構造を有する請求項１から３のいずれか一項記載の光ヘッド。
  5. 前記位相段差は、前記回折素子と一体に形成される請求項４記載の光ヘッド。
  6. 前記回折素子は、前記屈折型レンズの表面に形成される請求項１から３のいずれか一項記載の光ヘッド。
  7. 前記位相段差と前記回折素子は、前記屈折型レンズの表面に形成される請求項４記載の光ヘッド。
  8. 前記保護層の厚みｔ１、ｔ２およびｔ３は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３の関係にある請求項１から７のいずれか一項記載の光ヘッド。
  9. 前記保護層の厚みｔ１が略０．１ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ３が略１．２ｍｍである請求項８記載の光ヘッド。
  10. 前記開口数ＮＡ１が０．８５であり、前記開口数ＮＡ２が０．６であり、前記開口数ＮＡ３が０．４５と０．５との間である請求項９記載の光ヘッド。
  11. 前記保護層の厚みｔ１、ｔ２およびｔ３は、ｔ１＝ｔ２＜ｔ３の関係にある請求項１から７のいずれか一項記載の光ヘッド。
  12. 前記保護層の厚みｔ１が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ２が略０．６ｍｍであり、前記保護層の厚みｔ３が略１．２ｍｍである請求項１１記載の光ヘッド。
  13. 前記開口数ＮＡ１が０．６５であり、前記開口数ＮＡ２が０．６であり、前記開口数ＮＡ３が０．４５と０．５との間である請求項１２記載の光ヘッド。
  14. 前記回折格子は、同心円を成し、鋸歯状の断面形状を有する請求項１から１３のいずれか一項記載の光ヘッド。
  15. 前記回折格子は、前記開口数ＮＡ３に相当する領域にて、波長λ１の光に対して３波長以上の光路長を与え、波長λ２の光に対して２波長以下の光路長を与える深さｈ１を有し、前記開口数ＮＡ３から前記開口数ＮＡ２に相当する領域にて、前記深さｈ１の２倍の光路長を与える深さｈ２を有し、前記開口数ＮＡ２から前記開口数ＮＡ１に相当する領域にて、波長λ１の光に対してｍ波長の光路長を与える深さｈ３を有し、波長λ１の前記３次回折光と前記６次回折光と前記ｍ次回折光を前記第１の光ディスクに収束し、波長λ２の前記２次回折光と前記４次回折光を前記第２の光ディスクに収束し、波長λ３の前記２次回折光を前記第３の光ディスクに収束するように、前記各領域にて異なるピッチを有する請求項１から１４のいずれか一項記載の光ヘッド。
  16. 前記ｍ次回折光の次数ｍは、３の倍数以外の整数に設定される請求項１から１５のいずれか一項記載の光ヘッド。
  17. 前記回折素子の開口数がＮＡ３からＮＡ２に相当する領域の回折格子のピッチを、波長λ１の３次回折光として設計したときの２倍に設定した請求項１から１６のいずれか一項記載の光ヘッド。
  18. 前記回折素子の開口数がＮＡ２からＮＡ１に相当する領域の回折格子のピッチを、波長λ１の３次回折光として設計したときのｍ／３倍に設定した請求項１から１７のいずれか一項記載の光ヘッド。
  19. 前記回折素子は、凸レンズ作用を有する請求項１から１８のいずれか一項記載の光ヘッド。
  20. 前記波長λ１は４０５ｎｍ近傍であり、前記波長λ２は６５５ｎｍ近傍であり、前記波長λ３は７８０ｎｍ近傍である請求項１から１９のいずれか一項記載の光ヘッド。
  21. 請求項１から２０のいずれか一項記載の前記回折素子と前記屈折型レンズから成ることを特徴とする対物レンズ。
  22. 請求項１から２０のいずれか一項記載の前記光ヘッドと、
    前記第１、第２または第３の光ディスクを回転するモータと、
    前記光ヘッドから得られる信号に基づいて、前記モータ、前記光ヘッドに含まれる光学レンズ、及び前記第１、第２または第３の光源の少なくともいずれかを制御および駆動する電気回路とを備えたことを特徴とする光ディスク装置。
  23. 請求項２２記載の前記光ディスク装置と、
    入力された情報、及び前記光ディスク装置から再生された情報の少なくともいずれかに基づいて演算を行う演算装置と、
    前記入力された情報、前記光ディスク装置から再生された情報、及び前記演算装置によって演算された結果の少なくともいずれかを出力する出力装置とを備えたことを特徴とするコンピュータ。
  24. 請求項２２記載の前記光ディスク装置と、
    映像および音声信号の少なくとも１つを前記第１、第２または第３の光ディスクへの記録信号に変換し、前記光ディスク装置に送る記録用信号処理回路と、
    前記光ディスク装置から得られた再生信号を映像および音声信号の少なくとも１つに変換する再生用信号処理回路とを備えたことを特徴とする光ディスクレコーダ。
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