WO2012157168A1 - 光ピックアップおよび当該光ピックアップを備える光ディスク装置 - Google Patents

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WO2012157168A1
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lens
light
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optical pickup
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青児 西脇
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    • G11B2007/0006—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier adapted for scanning different types of carrier, e.g. CD & DVD

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical pickup for reading data recorded on an optical disc, and an optical disc apparatus including the optical pickup.
  • Data recorded on the optical disc is reproduced by irradiating a rotating optical disc with a light beam having a relatively weak constant light amount and detecting reflected light modulated by the optical disc.
  • a reproduction-only optical disc information by pits is previously recorded in a spiral shape at the manufacturing stage of the optical disc.
  • a recording material film capable of optically recording / reproducing data is deposited on the surface of a substrate on which a track having spiral lands or grooves is formed by a method such as vapor deposition. Has been.
  • the optical disc When data is recorded on a rewritable optical disc, the optical disc is irradiated with a light beam whose amount of light is modulated in accordance with the data to be recorded, thereby changing the characteristics of the recording material film locally to write the data. Do.
  • the portion of the optical disc where data is recorded constitutes a two-dimensional surface and may be referred to as a “recording surface” or an “information surface”.
  • the “information layer” Use words.
  • An optical disc has at least one such information layer.
  • One information layer may actually include a plurality of layers such as a phase change material layer and a reflective layer.
  • an optical disk device including an optical pickup is used.
  • the optical pickup measures the intensity of the light reflected from the optical disk when the optical beam is irradiated with the light source, the objective lens for converging the light beam emitted from the light source onto the optical disk, and the optical disk. And a photodetector.
  • BD, DVD, and CD are widely used as optical disks.
  • BD, DVD, and CD have the same overall thickness and diameter, but have different physical structures, and the distance from the light incident side surface (optical disc surface) of the optical disc to the information layer is also different.
  • Data reproduction or recording of BD, DVD, and CD is performed by light beams having blue, red, and infrared wavelengths, respectively.
  • the optical pickup includes at least one light source that selectively emits light beams having blue, red, and infrared wavelengths. I have.
  • the distance from the optical disk surface to the information layer is different for each of BD, DVD, and CD, different spherical aberration occurs in a normal objective lens.
  • the distance from the optical disk surface to the information layer is referred to as “light transmission layer thickness”.
  • FIG. 11A, FIG. 11B, and FIG. 11C are diagrams schematically showing three types of optical discs 200 each having a light transmission layer 5 having different thicknesses and a light beam converged by the objective lens 100.
  • FIG. The optical discs 200 in FIGS. 11A, 11B, and 11C correspond to BD, DVD, and CD, respectively.
  • the thickness of the light transmission layer 5 is the distance from the light incident side surface of the optical disc 200 to the information layer 50.
  • the light beam transmitted through the objective lens 100 is transmitted through the light transmission layer 5 of each optical disc 200 and focused on the information layer 50.
  • FIG. 12 For the sake of simplicity, only the configuration on the forward path side (side from the light source toward the disk surface) is shown, and the configuration on the return path side (side toward the optical detector from the optical disk) is omitted.
  • a BD is loaded in an optical disc apparatus.
  • blue light (wavelength: 0.405 ⁇ m) is emitted from a light source 6a such as a blue light emitting semiconductor laser.
  • the blue light beam emitted from the light source 6 a is reflected by the dichroic mirror prism 7 and is converted into a plane wave 4 a through the collimator lens 8.
  • the dichroic mirror prism 7 is configured to reflect light having a blue wavelength and transmit light having red and infrared wavelengths.
  • the optical system in this example is an “infinite system” because the plane wave 4 a is incident on the objective lens 100.
  • the blue light beam passes through the objective lens 100, passes through the light transmission layer 5 having a thickness of 0.1 mm, and is condensed on the information layer 50.
  • the BD has an optical disk substrate 200 having a thickness of 1.1 mm and a light transmission layer 5 having a thickness of 0.1 mm. Located between the layers 5.
  • the light transmission layer in the BD is constituted by a protective layer having a thickness of 0.1 mm.
  • the DVD has a structure in which a pair of disk bases having a thickness of 0.6 mm are bonded together, and the information layer 50 is located between the pair of disk bases. Therefore, the light transmission layer 5 in the DVD corresponds to one disk substrate having a thickness of 0.6 mm, and the light transmission layer thickness is 0.6 mm.
  • the CD includes a disk substrate having a thickness of 1.2 mm, and the information layer 50 is located on the back side of the disk substrate. Therefore, the light transmission layer 5 in the CD corresponds to a disk substrate having a thickness of about 1.2 mm, and the light transmission layer thickness is 1.2 mm.
  • a light beam having a red wavelength or a light beam having an infrared wavelength is emitted from the light source 6b.
  • a red semiconductor laser and an infrared semiconductor laser are arranged in one package. Red or infrared light (wavelength 0.660 ⁇ m or 0.785 ⁇ m) emitted from the light source 6b of the semiconductor laser that independently emits two wavelengths of red and infrared light is transmitted through the dichroic mirror prism 7, The light is converted into a plane wave 4a through the collimating lens 8.
  • the red or infrared light beam passes through the objective lens 100, passes through the light transmission layer 5 having a thickness of 0.6 mm and 1.2 mm, and is condensed on the information layer 50.
  • the optical system in this example is also an “infinite system” because the plane wave 4 a is incident on the objective lens 100.
  • the objective lens 100 is made of a transparent medium (glass, plastic, etc.), and its central axis coincides with the optical axis L.
  • a grating 1a having a sawtooth cross section is formed on the surface of the objective lens 100.
  • the phase step portions of the grating 1a are arranged concentrically with the optical axis L as the central axis.
  • the grating 1a is set so that the diffraction order thereof is the third order for the blue wavelength, the second order for the red wavelength, and the second order for the infrared wavelength.
  • FIG. 13A shows a part of the cross-sectional shape of the grating in the first conventional example.
  • the grating 1a depth d 1 the incident light 4a is diffracted, the diffracted light 4b.
  • FIG. 13B shows the diffraction efficiency with respect to the wavelength when the refractive index of the transparent medium forming the lens substrate 3 of the objective lens 100 is 1.623, the Abbe number is 41, and the depth d 1 of the grating 1a is 1.87 ⁇ m. The relationship is shown.
  • the efficiency of the third-order diffracted light is 100%
  • the efficiency of the second-order diffracted light is 82% and 34%, respectively.
  • FIG. 14 shows a cross-sectional configuration of the objective lens 100 in the second conventional example. Since the configuration other than the objective lens is the same as that shown in FIG.
  • the objective lens 100 is composed of two types of transparent media (glass, plastic, UV curable resin, etc.) having different refractive indexes and dispersion characteristics.
  • the first material has a lower refractive index and lower dispersion than the second material. It is.
  • the component (lens base material 3) made of the second material has a lens shape, and its central axis coincides with the optical axis L.
  • a grating 2a having a sawtooth cross section is formed on the surface of the lens substrate 2, and the phase step portions of the grating 2a are arranged concentrically with the optical axis L as the central axis.
  • the component (transparent layer 1) made of the first material covers the surface of the lens base 3 on the side where the grating 2a is formed.
  • the grating 1a having a shape obtained by inverting the cross section of the grating 2a (so-called cross sectional shape inverting the pulling direction of the saw blade) has a saw blade edge position (lower blade position).
  • the phase step portions of the grating 1a are arranged concentrically with the optical axis L as the central axis.
  • FIG. 15A shows a part of the sectional shape of the grating in the second conventional example.
  • the incident light 4a is diffracted into diffracted light 4b by the gratings 1a and 2a having depths d 1 and d 2 formed above and below the transparent layer 1, respectively.
  • the grating 1a and the grating 2a are combined to act as one grating.
  • the diffraction orders by the gratings 1a and 2a are set to be the third order for the blue wavelength, the second order for the red wavelength and the infrared wavelength.
  • 15B shows that the refractive index of the transparent layer 1 forming the objective lens 100 is 1.49, the Abbe number is 59, the depth d 1 of the grating 1a is 4.5 ⁇ m, and the refractive index of the lens substrate 3 is 1.62.
  • the relationship between the diffraction efficiency and the wavelength when the Abbe number is 24 and the depth d 2 of the grating 2a is 6.67 ⁇ m is shown.
  • the efficiency of the third-order diffracted light is 100%
  • the efficiency of the second-order diffracted light is 98% and 83%, respectively.
  • the grating 1a and the grating 2a physically act as one grating, it can be considered that diffraction occurs separately on the desk.
  • the diffraction orders at the grating 1a and the grating 2a are m 1 and m 2
  • the objective lens 100 in these conventional examples will be considered from the viewpoint of aberration.
  • an optical disk having a light transmission layer thickness x is assumed, and the objective lens is designed so as to cancel the spherical aberration (base aberration) generated at the light transmission layer thickness.
  • base aberration spherical aberration
  • spherical light having a light transmission layer thickness 0.1 ⁇ x
  • the light transmission layer thickness 0.6 ⁇ x
  • the spherical aberration for the light transmission layer thickness (1.2 ⁇ x) is added to the light having the infrared wavelength ⁇ 3 .
  • the spherical aberration for the light transmission layer thickness (1.2 ⁇ x) is added to the light having the infrared wavelength ⁇ 3 .
  • the shorter the wavelength the larger the refractive index of the disk and lens, and the larger the difference in spherical aberration.
  • diffraction causes a spherical aberration corresponding to the light transmission layer thickness (0.1 ⁇ x + t 1 ) for light of the blue wavelength ⁇ 1 , and a light transmission layer thickness (0.6 ⁇ x + t 2 ) for light of the red wavelength ⁇ 2.
  • the spherical aberration corresponding to the light transmission layer thickness (1.2 ⁇ x + t 3 ) is added to the light having the spherical aberration of ⁇ 3 .
  • the optical disc apparatus in the conventional example can minimize the aberration generated by the three different disc light transmission layer thicknesses even when the light 4a parallel to the objective lens 100 is incident.
  • a certain degree of light utilization efficiency (diffraction efficiency) can be maintained for two different wavelengths.
  • the light 4a incident on the objective lens 100 can be made into a plane wave, the position adjustment between the objective lens 100 and the incident light beam 4a is facilitated, and aberrations caused by the tracking shift of the objective lens 100 can be suppressed.
  • a small and inexpensive optical system can be provided.
  • the optical pickup receives at least one light source that selectively emits three light beams, each having blue, red, and infrared wavelengths, and each of the three light beams is incident.
  • the objective lens is a first grating having a phase step concentrically arranged around the lens central axis in a region through which all of the three light beams pass.
  • a first grating that diffracts light beams having wavelengths of blue, red, and infrared in the second order, first order, and first order, and the center of the lens in a region through which all the three light beams pass.
  • a second grating having a phase step concentrically arranged around an axis, spaced apart from the first grating in the direction of the lens central axis, and blue, , And a second grating that diffracts the light beam having the infrared wavelength at the first order, the first order, and the first order, respectively, and the objective lens includes light having the blue, red, and infrared wavelengths.
  • the beam is diffracted in the third, second, and second order, respectively.
  • an optical disc apparatus includes a drive unit that rotates an optical disc, any one of the optical pickups, and the optical pickup and the drive unit so that data recorded on the optical disc is read by the optical pickup.
  • a control unit for controlling.
  • the present invention although it is a single lens, high diffraction efficiency can be secured at three wavelengths of blue, red, and infrared, and an alignment error of the grating can be allowed. In addition, aberrations and chromatic aberrations that occur at three different light transmission layer thicknesses can be reduced. In addition, since the light incident on the lens can be configured in an infinite system, it is possible to suppress the occurrence of aberrations and simplify the optical configuration.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an optical disc apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Cross-sectional configuration diagram of an optical pickup according to the first embodiment Cross-sectional configuration diagram of the grating in the first embodiment
  • Cross-sectional shape diagram of grating 1a in the first embodiment The graph which shows the relationship of the diffraction efficiency with respect to the wavelength in the grating 1a in 1st Embodiment.
  • Cross-sectional shape diagram of the grating 2a in the first embodiment The graph which shows the relationship of the diffraction efficiency with respect to the wavelength in the grating 2a in 1st Embodiment.
  • Cross-sectional shape diagram of the objective lens in the third embodiment Cross-sectional shape diagram of an objective lens in the fourth embodiment
  • Cross-sectional shape diagram of an objective lens in the fifth embodiment The graph which shows the relationship of the diffraction efficiency with respect to the wavelength in the grating 2a in 5th Embodiment
  • the figure which shows the cross-sectional structure of BD typically
  • the figure which shows the cross-sectional structure of DVD typically
  • the figure which shows the cross section constitution of CD typically Cross-sectional configuration diagram of the optical disc apparatus in the first conventional example Cross-sectional shape diagram of the grating in the first conventional example
  • Cross-sectional configuration diagram of the objective lens in the second conventional example Cross-sectional shape diagram of the grating in the second conventional example
  • the present inventor has found that the conventional optical disc apparatus has the following problems.
  • the aberration can be reduced, but the chromatic aberration on the BD side ( ⁇ m accompanying the wavelength variation of 1 nm) Change in the focal position of the unit) and the target value of 0.3 ⁇ m / nm or less cannot be maintained.
  • a highly dispersed material for example, Kanebo O-PET
  • the grating pitch decreases with increasing NA, and cuts 10 ⁇ m before NA 0.5.
  • the positional deviation accuracy of 0.02 ⁇ m, which is 2% of 10 ⁇ m, is extremely difficult in terms of process, and there is currently no manufacturing method for realizing the second conventional example.
  • the optical pickup receives at least one light source that selectively emits three light beams, each having blue, red, and infrared wavelengths, and each of the three light beams is incident.
  • an objective lens arranged as described above.
  • the objective lens is a first grating having phase steps arranged concentrically around the lens central axis in a region where all of the three light beams pass, and has blue, red, and infrared wavelengths.
  • a first grating that diffracts the light beam in the second, first, and first order, and a phase that is concentrically arranged around the lens center axis in a region through which all of the three light beams pass.
  • a second grating having a step, wherein light beams spaced apart in the direction of the lens central axis with respect to the first grating and having wavelengths of blue, red, and infrared are respectively primary and primary And a second grating that diffracts at the first order.
  • the objective lens effectively diffracts light beams having blue, red, and infrared wavelengths in the third order, second order, and second order, respectively.
  • the objective lens includes a lens substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a transparent layer covering the first surface of the lens substrate.
  • the first grating is formed on the surface of the transparent layer, and the second grating is formed at the boundary between the first surface of the lens substrate and the transparent layer.
  • the position of the phase step in the first grating is away from the lens center axis with respect to the position of the phase step in the second grating having a phase equal to the phase of the phase step.
  • the objective lens includes a lens substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a transparent layer covering the first surface of the lens substrate.
  • the first grating is formed on the second surface of the lens substrate, and the second grating is formed at the boundary between the first surface of the lens substrate and the transparent layer.
  • the refractive index and Abbe number of the lens substrate are n1 and ⁇ 1, respectively, and the refractive index and Abbe number of the transparent layer are n2 and ⁇ 2, respectively, n2> n1 and ⁇ 2 ⁇ ⁇ 1 or n2 ⁇ n1 and ⁇ 2> ⁇ 1.
  • the objective lens includes a lens substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and the first grating includes the first surface of the lens substrate.
  • the second grating is formed on the second surface of the lens base material.
  • the optical disc apparatus of the present embodiment includes a drive unit that rotates an optical disc, one of the optical pickups described above, and a control that controls the optical pickup and the drive unit so that data recorded on the optical disc is read by the optical pickup. A part.
  • the optical pickup includes at least one light source that selectively emits three light beams each having blue, red, and infrared wavelengths, and an objective that is disposed so that each of the three light beams is incident thereon. And a lens.
  • the objective lens includes a first grating and a second grating spaced from the first grating in the direction of the lens central axis.
  • Each of the first and second gratings has a phase step concentrically arranged around the lens center axis in a region where all three light beams pass.
  • the first grating diffracts light beams having blue, red, and infrared wavelengths in the second order, first order, and first order, respectively.
  • the second grating diffracts light beams having blue, red, and infrared wavelengths in the first, first, and first orders, respectively.
  • the light beams having blue, red, and infrared wavelengths that have passed through the first grating and the second grating are diffracted in the third, second, and second orders, respectively.
  • each of the first grating and the second grating can work a diffraction action separately.
  • the diffraction by the first grating and the diffraction by the second grating are sufficiently separated so as not to interfere with each other.
  • the first and second gratings are separated by a distance sufficiently longer than the wavelength of incident light, for example, 5 ⁇ m or more, preferably 10 ⁇ m or more.
  • the grating diffracts the light beam in the nth order means “the nth order diffracted light among a plurality of orders of diffracted light generated by diffraction of the grating”. "Has the highest diffraction efficiency”. Further, “diffracting a light beam having a blue wavelength at the n-th order” means that at least one wavelength having the highest diffraction efficiency of the n-th order diffracted light exists in the blue band. To do. The same applies to the diffraction of light beams having red and infrared wavelengths.
  • the optical disk device 500 shown in FIG. 1 can be suitably used as an optical drive for a personal computer, an optical disk player, an optical disk recorder, or the like.
  • the configuration other than the objective lens has the same configuration as the configuration of the present embodiment. For this reason, in other embodiments, the description of the configuration of the optical disk device is omitted.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the optical disc apparatus 500.
  • the optical disc apparatus 500 includes an optical pickup 501, a spindle motor (drive unit) 503 that rotates the optical disc 200, a transfer motor 502 that controls the position of the optical pickup 501, a control unit 505 that controls these operations, and a nonvolatile memory. And a memory 506.
  • a BD, DVD, or CD can be loaded in the optical disc device 500.
  • the optical pickup 501 is a known light source (semiconductor laser) that emits a light beam, an objective lens 100 that focuses the light beam to form a light spot on the optical disc 200, and an actuator that drives the objective lens 100. It has the following components.
  • the control unit 505 Based on the electrical signal obtained from the optical pickup 501, the control unit 505 generates a servo signal including a focus error signal and a tracking error signal, and also performs analog signal processing such as waveform equalization of a reproduction signal, binary slice, and synchronization data. I do.
  • the control unit 505 includes a system controller and the like, and is preferably realized by a combination of software and hardware.
  • the control unit 505 causes the optical spot formed on the optical disc 200 by the optical pickup 501 to follow the target track of the rotating optical disc 200 by the generated servo signal.
  • the control unit 505 implements a series of controls such as focus control and tracking control of the objective lens 100 included in the optical pickup 501, transfer control of the optical pickup 501, and spindle motor control by a digital servo. That is, by the action of the control unit 505, in addition to driving an actuator (not shown) of the objective lens 100, driving of the transfer motor 502 for transferring the optical pickup 501 to the inner periphery and outer periphery of the optical disc 200, and rotating the optical disc 200.
  • the spindle motor 503 is appropriately driven.
  • the control unit 505 can be realized by a semiconductor IC.
  • the nonvolatile memory 506 stores software executed by the control unit 505, various parameters, and the like.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the optical pickup 501 in the first embodiment.
  • FIG. 2 only shows the configuration on the forward path side (side from the light source toward the disk surface) and omits the configuration on the return path side (side toward the optical detector from the disk surface).
  • blue light (wavelength: 0.405 ⁇ m) emitted from a light source 6 a such as a blue light emitting semiconductor laser is reflected by a dichroic mirror prism 7 and converted into a plane wave 4 a through a collimator lens 8.
  • the dichroic mirror prism 7 is configured to reflect light having a blue wavelength and transmit light having red and infrared wavelengths.
  • the optical system in this example is an “infinite system” because the plane wave 4 a is incident on the objective lens 100.
  • the blue light beam reflected by the dichroic mirror prism 7 passes through the objective lens 100, passes through the light transmission layer 5 having a thickness of 0.1 mm, and is condensed on the information layer 50.
  • a light beam having a red wavelength or a light beam having an infrared wavelength is emitted from the light source 6b.
  • a red semiconductor laser and an infrared semiconductor laser are arranged in one package. Red light (wavelength 0.660 ⁇ m) or infrared light (wavelength 0.785 ⁇ m) emitted from the light source 6 b of the semiconductor laser that independently emits two wavelengths of red and infrared light is transmitted to the dichroic mirror prism 7. The light passes through the collimating lens 8 and is converted into a plane wave 4a. Thereafter, the light is condensed on the information layer 50 of the corresponding optical disk through the objective lens.
  • a red light beam passes through a light transmission layer having a thickness of 0.6 mm and is condensed on the information layer 50.
  • the infrared light beam passes through the light transmission layer having a thickness of 1.2 mm and is condensed on the information layer 50.
  • the optical system in this example is also an “infinite system” because the plane wave 4 a is incident on the objective lens 100.
  • the objective lens 100 in the present embodiment has a lens base 3 having a lens shape and a laminated structure provided on the lens base 3.
  • This laminated structure has a layer formed of two types of transparent media having different refractive indexes and dispersion characteristics. Specifically, this laminated structure is formed by laminating the second laminated portion (transparent layer 2) and the first laminated portion (transparent layer 1) in this order from the lens substrate 3 side, and the center of the laminated structure.
  • the axis of the objective lens coincides with the optical axis L.
  • the transparent layer 1 has a higher refractive index and lower dispersion than the transparent layer 2.
  • a grating 2a having a sawtooth cross section is formed at the interface 2a between the transparent layer 2 and the transparent layer 1 laminated thereon, and the orientation of the grating 2a is along the circumference with the optical axis L as the central axis.
  • a grating 1a having a sawtooth cross section is also formed on the surface of the transparent layer 1 (surface facing the air side), and the orientation of the grating 1a is along the circumference with the optical axis L as the central axis.
  • the normals of the step side surfaces of the gratings 1a and 2a face the outer peripheral side. More specifically, the direction of the normal (sawtooth direction) extending from the high refractive index side to the low refractive index side of the step side surfaces of the gratings 1a and 2a is directed away from the lens center. Depending on the design, the direction of the saw blade may face inward, and depending on the position, the facing direction may be switched.
  • the cross section of the grating 1a has a shape obtained by inverting the cross section of the grating 2a in the lens central axis direction. Moreover, the diameter of the phase step position of the grating 2a is smaller than the phase step position of the grating 1a having the same phase as the grating 2a.
  • the phase function for the radius r can be defined as ⁇ (r), the constant a is a value near 1.0, the phase function of the grating 1a can be defined as ⁇ / a, and the phase function of the grating 2a can be defined as ⁇ ⁇ a.
  • FIG. 3 shows an example of a cross-sectional configuration of the grating in the first embodiment.
  • the lens substrate 3 is made of UV-resistant resin Zeonex 350 (refractive index 1.50662, Abbe number 56.388), and the transparent layer 2 is made of polycarbonate (refractive index 1.585, Abbe number 28). Can do.
  • the transparent layer 1 is prepared by adding, for example, ZrO 2 nanoparticles to a UV curable resin, and has a refractive index of 1.623 and an Abbe number of 41, for example. By mixing the high refractive index ZrO 2 nanoparticles, the overall refractive index can be increased while maintaining the low dispersibility of the UV curable resin.
  • phase difference ⁇ generated at the grating depth d 2 is expressed by the following equation in Radian units.
  • the first term on the right side shows a constant value
  • the second term is inversely proportional to ⁇ .
  • the thickness t of the transparent layer 1 is deeper than at least the depth d 2 of the grating, and is sufficiently larger (for example, 20 ⁇ m or more) than several times the wavelength (several ⁇ m). In this embodiment, the thickness t is 60 ⁇ m. Since the transparent layer 1 is thick, diffraction by the gratings 1a and 2a occurs separately and independently. That is, the incident light 4a is diffracted by the grating 1a to become diffracted light 4b, and the diffraction orders are second order for the blue wavelength, first order for the red, and infrared wavelengths. Further, the diffracted light 4b is diffracted by the grating 2a to become diffracted light 4c, and the diffraction orders are set to be the first order with respect to blue, red and infrared wavelengths.
  • the grating 1a and the grating 2a are separate gratings, and diffraction occurs separately, whereas in the second conventional example, it acts as one grating and one diffraction. Even if the second conventional example can be regarded as two gratings and two diffractions, the combination of the diffraction orders in each grating is completely different from the present embodiment.
  • FIG. 4A shows a cross-sectional shape of the grating 1a in the first embodiment.
  • FIG. 4B shows the relationship of the diffraction efficiency with respect to the wavelength when the depth d 1 of the transparent layer 1 is 1.25 ⁇ m.
  • the efficiency of the second-order diffracted light is 100%
  • the efficiency of the first-order diffracted light is 91% and 100%, respectively.
  • FIG. 5A shows a cross-sectional shape of the grating 2a in the first embodiment.
  • the incident light 4b is diffracted into the diffracted light 4c by the grating 2a having the depth d 2 formed at the boundary between the transparent layer 1 and the transparent layer 2.
  • FIG. 5B shows the relationship between the diffraction efficiency and the wavelength when the grating depth d 2 is 15.5 ⁇ m.
  • the efficiency of the first-order diffracted light is 97% at a wavelength of 0.405 ⁇ m, and 99% and 91% for wavelengths of 0.660 and 0.785 ⁇ m, respectively.
  • the phase change (diffraction power) received by the light by diffracting the two gratings is proportional to the sum of the respective diffraction orders.
  • the sum of the diffraction orders is the third order for the blue wavelength, the second order for the red wavelength, and the second order for the infrared wavelength, and satisfies the conditions for minimizing the aberration caused by the light transmission layer thickness difference as in the conventional example.
  • the phase function of the grating 1a is changed to 1 / a times and the phase function of the grating 2a is changed to a times.
  • the diffraction power is 1 / a times on the grating 1a side and the grating 2a side. It has changed to a times. Since the diffraction order is proportional to the diffraction power, the following equation is established with the diffraction powers at the blue, red, and infrared wavelengths in the grating 1a as p 1 , q 1 , and r 1 .
  • p 1 : q 1 : r 1 2 / a: 1 / a: 1 / a
  • the blue in the grating 2a, red, diffraction power in the infrared wavelength as p 2, q 2, r 2 the following expression holds.
  • the saw blades face the outer peripheral side of both the gratings 1 a and 2 a in the entire area of NA 0.5.
  • the step 2c of the grating 2a can be processed so as to be parallel to the direction of the light beam 4b, so that the influence of light shielding by the step 2c is small.
  • the first embodiment although it is a single lens, high diffraction efficiency exceeding 90% can be secured at three wavelengths of blue, red, and infrared, and the alignment of the grating can be ensured. Error can be tolerated. In addition, while having an infinite system configuration, aberrations and chromatic aberrations generated by three different disc light transmission layer thicknesses can be minimized. Further, since the lens base portion 3 having a long optical path length uses an ultraviolet-resistant resin, it can cope with high-output blue wavelength light and can be used for a recording type optical disc apparatus.
  • phase functions of the gratings 1a and 2a are multiplied by the uniform coefficient values 1 / a and a.
  • the respective phase functions can be set independently, and in this case, the degree of freedom in design. Greatly increases the aberration, so that the aberration can be further reduced.
  • polycarbonate is used for the transparent layer 2
  • a mixed material of UV curable resin and ZrO2 nanoparticles is used for the transparent layer 1, but if the refractive index of the transparent layer 1 is higher than that of the transparent layer 2 and the dispersion is low, other materials can be used. A combination of these may be used.
  • the above-described embodiment is for a region where the three wavelengths of the objective lens effectively pass (that is, inside of NA 0.5 or NA 0.45).
  • the other region is a region that effectively passes only two wavelengths (blue and red), or a single wavelength (blue), and the problems of efficiency and aberration are It is not mentioned because it can be easily solved by a combination of conventional techniques.
  • the optical pickup in the present embodiment is different from the optical pickup in the first embodiment in that the condition that the refractive index of the transparent layer 1 is higher than that of the transparent layer 2 of the objective lens 100 and the dispersion is low is not satisfied. .
  • it has the same configuration as the configuration of the optical pickup in the first embodiment.
  • the same material as the lens substrate 3 is used for the transparent layer 2. That is, the refractive index of the transparent layer 1 is 1.623, the Abbe number is 41, the refractive index of the transparent layer 2 and the lens base 3 is 1.50662, and the Abbe number is 56.388. In the present embodiment, the refractive index of the transparent layer 1 is higher than that of the transparent layer 2, but the dispersion is also high.
  • the diffraction efficiency in the grating 1a is the same as the diffraction efficiency shown in FIG. 4B. Therefore, when the depth d 1 of the transparent layer 1 and 1.25 .mu.m, when the wavelength 0.405 .mu.m, 2 next order efficiency of diffracted light of 100% for the wavelength 0.660,0.785Myuemu, 1 next The efficiency of folding light is 91% and 100%, respectively.
  • FIG. 7A shows a cross-sectional shape of the grating 2a in the present embodiment.
  • the incident light 4b is diffracted into the diffracted light 4c by the grating 2a having the depth d 2 formed at the boundary between the transparent layer 1 and the transparent layer 2.
  • FIG. 7B shows the relationship between the diffraction efficiency and the wavelength when the grating depth d 2 is 4.5 ⁇ m.
  • the efficiency of the first-order diffracted light is 56% at a wavelength of 0.405 ⁇ m, and 85% and 65% for wavelengths of 0.660 and 0.785 ⁇ m, respectively.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional shape of the objective lens 100 according to the third embodiment.
  • the objective lens 100 according to the present embodiment has a configuration in which the lens base 3 of the objective lens 100 according to the first embodiment is formed from the same material as the transparent material 2 according to the first embodiment. In other words, it can be said that the transparent material 2 is removed while the grating 2a is left as it is.
  • the objective lens 100 since the objective lens 100 is composed of two types of transparent media having different refractive indexes and dispersion characteristics, it can be said that the configuration is simpler and less expensive than the objective lens 100 of the first embodiment.
  • the same effect as in the first embodiment can be expected.
  • when polycarbonate is used for the lens substrate 3 its ultraviolet resistance is inferior to that of the lens substrate 3 of the first embodiment, so that BD may be limited to reproduction only.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional shape of the objective lens 100 in the present embodiment.
  • the objective lens 100 of the present embodiment has the same configuration as the objective lens 100 of the third embodiment, except that the formation position of the grating 2a is different.
  • the transparent layer 1 in the third embodiment corresponds to the lens substrate 3 in the present embodiment.
  • the lens substrate 3 in the third embodiment corresponds to the transparent layer 2 formed on the opposite surface of the lens substrate 3 in the present embodiment.
  • the condition that the lens substrate 3 (replacement of the transparent layer 1) has a higher refractive index and lower dispersion than the transparent layer 2 is maintained.
  • the grating 1 a is formed on one surface of the lens substrate 3, and the grating 2 a is formed on the other surface of the lens substrate 3.
  • the objective lens 100 of this embodiment has a different configuration from the objective lens 100 of the fourth embodiment in that the transparent layer 2 is omitted.
  • FIG. 10A shows a cross-sectional shape of the objective lens 100 in the present embodiment.
  • the incident light 4a is diffracted into the diffracted light 4b by the grating 1a on the lens surface.
  • the diffracted light 4b is diffracted into the diffracted light 4c by the grating 2a on the back surface of the lens.
  • the portion corresponding to the transparent layer 2 is air, so that the condition that the lens base material 3 has a higher refractive index than the transparent layer 2 and the dispersion is not satisfied. .
  • the refractive index of the lens substrate 3 is 1.623 and the Abbe number is 41
  • the diffraction efficiency in the grating 1a is the same as that in FIG.
  • the efficiency of the second-order diffracted light is 100%, and for the wavelengths of 0.660 and 0.785 ⁇ m, the efficiency of the first-order diffracted light is 91% and 100%, respectively.
  • the diffraction efficiency in the grating 2a is greatly different.
  • FIG. 10B shows the relationship of diffraction efficiency with respect to wavelength when the grating depth d 2 is 0.8 ⁇ m.
  • the efficiency of the first-order diffracted light is 76% at a wavelength of 0.405 ⁇ m, and 81% and 61% for wavelengths of 0.660 and 0.785 ⁇ m, respectively.
  • optical disc device according to the present invention is not limited to the device having the configuration shown in FIG. 1, and has any other configuration as long as it is an optical disc device that can operate with the optical pickup according to the embodiment of the present disclosure. Also good.
  • the objective lens in the optical pickup of the present disclosure can ensure high diffraction efficiency at three wavelengths of blue, red, and infrared while being a single lens. Further, since an alignment error between the first and second gratings can be allowed, the objective lens can be easily manufactured. Further, even if the light incident on the lens is configured in an infinite system, aberrations and chromatic aberrations generated by three different disc light transmission layer thicknesses can be minimized. For this reason, the optical disk apparatus that has conventionally required two or more objective lenses can be greatly simplified, and is useful as an optical disk apparatus for recorders and optical drives for personal computers.

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Abstract

　実施形態において、ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源６ａ、６ｂと、３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズ１００を備える。対物レンズ１００は、３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸Ｌの周りに同心円状に配置された位相段差を有する第１グレーティング１ａと、３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸Ｌの周りに同心円状に配置された位相段差を有する第２グレーティング１ｂを有する。第１グレーティング１ａは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折し、第２グレーティング１ｂは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する。第２グレーティング１ｂは、第１グレーティング１ａに対してレンズ中心軸Ｌの方向に離間している。

Description

光ピックアップおよび当該光ピックアップを備える光ディスク装置
　本開示は、光ディスクに記録されたデータを読み出すための光ピックアップ、および当該光ピックアップを備える光ディスク装置に関する。
　光ディスクに記録されているデータは、比較的弱い一定の光量の光ビームを回転する光ディスクに照射し、光ディスクによって変調された反射光を検出することによって再生される。再生専用の光ディスクには、光ディスクの製造段階でピットによる情報が予めスパイラル状に記録されている。これに対して、書き換え可能な光ディスクでは、スパイラル状のランドまたはグルーブを有するトラックが形成された基材表面に、光学的にデータの記録／再生が可能な記録材料膜が蒸着等の方法によって堆積されている。書き換え可能な光ディスクにデータを記録する場合は、記録すべきデータに応じて光量を変調した光ビームを光ディスクに照射し、それによって記録材料膜の特性を局所的に変化させることによってデータの書き込みを行う。
　なお、ピットの深さ、トラックの深さ、および記録材料膜の厚さは、光ディスク基材の厚さに比べて小さい。このため、光ディスクにおいてデータが記録されている部分は、２次元的な面を構成しており、「記録面」または「情報面」と称される場合がある。本明細書では、このような面が深さ方向にも物理的な大きさを有していることを考慮し、「記録面（情報面）」の語句を用いる代わりに、「情報層」の語句を用いることとする。光ディスクは、このような情報層を少なくとも１つ有している。なお、１つの情報層が、現実には、相変化材料層や反射層などの複数の層を含んでいてもよい。
　光ディスクからデータを読み出すこと、および／または、前記光ディスクにデータを書き込むためには、光ピックアップを備える光ディスク装置が用いられる。光ピックアップは、光ビームを出射する光源と、光源から出射された光ビームを光ディスク上に収束する対物レンズと、光ディスクを光ビームで照射しているときに光ディスクから反射された光の強度を測定する光検出器とを備えている。
　近年、光ディスクとして、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤが普及している。ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤは全体の厚さおよび直径は等しいが、それぞれ、異なる物理的構造を有しており、光ディスクの光入射側表面（光ディスク表面）から情報層までの距離も異なる。また、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤのデータ再生または記録は、それぞれ、青、赤、および赤外の波長を有する光ビームによって行われる。１つの光ディスク装置が、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤのいずれをもサポートするためには、光ピックアップは、青、赤、および赤外の波長を有する光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源を備えている。
　上述のように、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤでは、それぞれ、光ディスク表面から情報層までの距離が異なるため、通常の対物レンズでは、異なる球面収差が発生することになる。本明細書では、光ディスク表面から情報層までの距離を、「光透過層厚」と称することにする。
　図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１１Ｃは、それぞれ、厚さが異なる光透過層５を有する３種類の光ディスク２００と、対物レンズ１００によって収束される光ビームとを模式的に示す図である。図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１１Ｃの光ディスク２００は、それぞれ、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤに相当している。光透過層５の厚さは、光ディスク２００の光入射側表面から情報層５０までの距離である。これらの図からわかるように、対物レンズ１００を透過した光ビームは、各光ディスク２００の光透過層５を透過して情報層５０に集束される。
　以下、図１２から図１５を参照して、従来の光ピックアップの構成例と、その光ピックアップが備える対物レンズ１００の構成を説明する。
　まず、図１２を参照して、公知の光ピックアップの構成例を説明する。図１２では、簡単のため往路側（光源からディスク面に向かう側）のみの構成を記載し、復路側（光ディスクから光検出器に向かう側）の構成を省いている。図１２に示される例において、まず、ＢＤが光ディスク装置に装填されている場合を考える。この場合、青色発光半導体レーザ等の光源６ａから青色の光（波長０．４０５μｍ）が出射される。光源６ａから出射された青色の光ビームは、ダイクロイックミラープリズム７で反射され、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。このダイクロイックミラープリズム７は、青の波長を有する光を反射し、赤及び赤外の波長を有する光を透過するように構成されている。この例における光学系は、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。青色の光ビームは、対物レンズ１００を経て、厚さ０．１ｍｍの光透過層５を透過し、情報層５０上に集光する。ＢＤは、図１１Ａに示されるように、厚さ１．１ｍｍの光ディスク基材２００と、厚さ０．１ｍｍの光透過層５とを有しており、情報層５０はディスク基材と光透過層５との間に位置している。ＢＤにおける光透過層は、厚さ０．１ｍｍの保護層によって構成されている。なお、ＤＶＤは、厚さ０．６ｍｍの一対のディスク基材を張り合わせた構造を有しており、情報層５０は一対のディスク基材の間に位置している。従って、ＤＶＤにおける光透過層５は、厚さ０．６ｍｍの１つのディスク基材に相当し、光透過層厚さは０．６ｍｍである。一方、ＣＤは、厚さ１．２ｍｍのディスク基材を備え、情報層５０は、ディスク基材の裏面側に位置している。したがって、ＣＤにおける光透過層５は、厚さ約１．２ｍｍのディスク基材に相当し、光透過層厚は１．２ｍｍである。
　光ディスク装置にＤＶＤまたはＣＤが装填された場合、光源６ｂから赤色の波長を有する光ビームまたは赤外の波長を有する光ビームが出射される。この光源６ｂは、赤色半導体レーザと赤外半導体レーザが１つのパッケージ内に配置されている。赤色と赤外色の２波長を独立して発光する半導体レーザの光源６ｂを出射する赤色、又は赤外の光（波長０．６６０μｍ、または０．７８５μｍ）は、ダイクロイックミラープリズム７を透過し、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。その後、赤色または赤外の光ビームは、対物レンズ１００を経て、それぞれ、厚さ０．６、１．２ｍｍの光透過層５を透過し、情報層５０上に集光する。この例における光学系も、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。
　対物レンズ１００は透明媒質（ガラス、プラスチック等）を材料にして構成され、その中心軸は光軸Ｌに一致する。対物レンズ１００の表面には、鋸歯状の断面をなすグレーティング１ａが形成されている。グレーティング１ａの位相段差部は、光軸Ｌを中心軸とする同心円状に配列されている。このグレーティング１ａは、それによる回折次数が、青波長に対して３次、赤、赤外波長に対して２次となるように設定されている。
　図１３Ａは、第１の従来例におけるグレーティングの断面形状の一部を示す。深さｄ1のグレーティング１ａにより、入射光４ａは回折し、回折光４ｂとなる。図１３Ｂは、対物レンズ１００のレンズ基材３を形成する透明媒質の屈折率を１．６２３、アッベ数を４１、グレーティング１ａの深さｄ1を１．８７μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。波長０．４０５μｍの時に、３次回折光の効率が１００％となり、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては、２次回折光の効率がそれぞれ８２％，３４％となる。
　図１４は、第２の従来例に於ける対物レンズ１００の断面構成を示している。対物レンズ以外の構成は図１２と同じなので、説明を省略する。対物レンズ１００は屈折率と分散特性の異なる２種類の透明媒質（ガラス、プラスチックや紫外線硬化樹脂等）を材料にして構成され、第１の材料は第２の材料よりも低屈折率で低分散である。第２の材料による構成部（レンズ基材３）はレンズ形状を有し、その中心軸は光軸Ｌに一致する。レンズ基材２の表面に鋸歯状の断面をなすグレーティング２ａが形成され、グレーティング２ａの位相段差部は光軸Ｌを中心軸とする同心円状に配列されている。第１の材料による構成部（透明層１）は、レンズ基材３のグレーティング２ａが形成された側の表面を覆っている。透明層１の表面（空気側に面する表面）には、グレーティング２ａの断面を反転させた形状（いわゆる鋸歯の引き方向を反転させた断面形状）のグレーティング１ａが鋸歯のエッジ位置（下刃位置）を揃えて形成されている。グレーティング１ａの位相段差部は光軸Ｌを中心軸とする同心円状に配列されている。
　図１５Ａは、第２の従来例におけるグレーティングの断面形状の一部を示す。透明層１の上下に形成された深さｄ1、ｄ2のグレーティング１ａ、２ａにより、入射光４ａは回折し、回折光４ｂとなる。透明層１の厚さｔは可能な限り薄く（できればｔ＝ｄ1＋ｄ2）、グレーティング１ａ、２ａによる回折は同時に起こる。言い換えれば、グレーティング１ａとグレーティング２ａが合わさって一つのグレーティングとして作用する。
　これらのグレーティング１ａ、２ａによる回折次数は、青波長に対して３次、赤、赤外波長に対して２次となるように設定されている。図１５Ｂは、対物レンズ１００を形成する透明層１の屈折率を１．４９、アッベ数を５９、グレーティング１ａの深さｄ1を４．５μｍ、レンズ基材３の屈折率を１．６２、アッベ数を２４、グレーティング２ａの深さｄ2を６．６７μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。波長０．４０５μｍの時に、３次回折光の効率が１００％となり、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては、２次回折光の効率がそれぞれ９８％，８３％となる。
　なお、上述したように物理的にはグレーティング１ａとグレーティング２ａは１つのグレーティングとして作用するが、机上の上で回折が別々に発生するものと考えることもできる。この場合、グレーティング１ａ、グレーティング２ａでの回折次数をｍ1、ｍ2として、上記の条件は、０．４０５μｍ近傍の波長でｍ1＝５，ｍ2＝－２、０．６９０μｍ近傍の波長でｍ1＝３，ｍ2＝－１に相当する。従ってこの場合も全体の回折次数（＝ｍ1＋ｍ2）は青波長で３次、赤～赤外波長で２次になる。
　次に、これらの従来例に於ける対物レンズ１００を収差の面から考察してみる。光透過層厚ｘの光ディスクを想定し、この光透過層厚で発生する球面収差（ベース収差）をキャンセルするように対物レンズを設計したとする。このレンズにグレーティングを付加することで、ベース収差分と光透過層厚の球面収差分を共に吸収するものとする。この場合、回折によって青波長λ1の光には光透過層厚（０．１－ｘ）分の球面収差が加わり、赤波長λ2の光には光透過層厚（０．６－ｘ）分の球面収差が加わり、赤外波長λ3の光には光透過層厚（１．２－ｘ）分の球面収差が加わると考えることができる。実際にはレンズ材料やディスク基材の分散影響があり、短波長になるほどディスクやレンズの屈折率は大きくなり、それに連動して球面収差の差異も大きくなる。この球面収差の増大を光透過層厚差に換算し、青波長λ1、赤波長λ2、赤外波長λ3での収差変化量をｔ1、ｔ2、ｔ3（ただし赤外波長を分散の基準としｔ3＝０とする）とおくと、短波長になるほど収差は光透過層厚差のプラス側に作用するのでｔ1＞ｔ2＞ｔ3＝０である。従って、回折によって青波長λ1の光には光透過層厚（０．１－ｘ＋ｔ1）分の球面収差、赤波長λ2の光には光透過層厚（０．６－ｘ＋ｔ2）分の球面収差、赤外波長λ3の光には光透過層厚（１．２－ｘ＋ｔ3）分の球面収差が加わることになる。
　一方、回折によって発生する位相変化（収差）は回折次数×波長に比例するので、グレーティングでの回折次数を青波長λ1でｐ次、赤波長λ2でｑ次、赤外波長λ3でｒ次とすると、次式が成立する。
（式１）（０．１－ｘ＋ｔ1）：（０．６－ｘ＋ｔ2）：（１．２－ｘ＋ｔ3）＝ｐλ1：ｑλ2：ｒλ3
　仮にｑ＝ｒ、及びλ1＝０．４０５μｍ、λ2＝０．６６０μｍ、λ3＝０．７８５μｍとし、赤以上の波長では分散が小さいことから近似的にｔ2＝ｔ3＝０とすれば、（式１）よりｘ＝－２．５７ｍｍとなり、次式が成立する。
（式２）　　ｐ／ｑ＝６６０（０．１－ｘ＋ｔ1）／４０５（０．６－ｘ）＝１．３７＋０．５１*ｔ1
ｔ1は正の値であり、レンズ材料の分散値によって０．１未満から０．２程度まで調節できる。例えば低分散の材料を使う場合、ｐ／ｑ≒１．４であるが、高分散の材料を使うことで増大し、ｐ／ｑ≒１．５にできる。（式２）の条件に最も近く、最も次数の少ない組み合わせは、ｐ＝３，ｑ＝ｒ＝２である。言い換えれば、ｐ＝３，ｑ＝ｒ＝２の関係こそ、光透過層厚差で発生する収差を極小化できる条件である。
　このように、従来例に於ける光ディスク装置は、対物レンズ１００に平行な光４ａを入射する構成であっても、３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差を極小化でき、また３つの異なった波長に対し、ある程度の光利用効率（回折効率）を維持できる。また、対物レンズ１００に入射する光４ａを平面波にできることから、対物レンズ１００と入射光線４ａとの位置調整も容易になり、対物レンズ１００のトラッキングシフトにより発生する収差を抑えることができるので、より小型で安価な光学系を提供できる。
国際公開第２００６／０７７９１５号
　３つの波長の光に対し、色収差および球面収差をさらに抑制することが求められている。本発明の実施形態によれば、色収差、球面収差をさらに抑制することが可能になる。
　本発明の実施形態において、光ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズとを備え、前記対物レンズは、前記３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第１グレーティングであって、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する第１グレーティングと、前記３つの光ビームの全てが通過する領域において前記レンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第２グレーティングであって、前記第１グレーティングに対して前記レンズ中心軸の方向に離間し、かつ、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する第２グレーティングとを有し、前記対物レンズは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、３次、２次、２次の次数で回折する。
　本発明の実施形態において、光ディスク装置は、光ディスクを回転させる駆動部と、上記いずれかの光ピックアップと、前記光ディスクに記録されたデータを前記光ピックアップによって読み出すように前記光ピックアップおよび前記駆動部を制御する制御部とを備える。
　本発明の実施形態によれば、単一のレンズでありながら、青、赤、赤外の３つの波長で、高い回折効率を確保でき、かつグレーティングのアライメント誤差を許容できる。また、３つの異なった光透過層厚で発生する収差や色収差を低減できる。また、レンズへの光入射を無限系に構成できるので、収差の発生を抑えるとともに光学構成を簡略化することが可能である。
本発明の実施形態における光ディスク装置の構成例を示すブロック図 第１の実施形態に於ける光ピックアップの断面構成図 第１の実施形態に於けるグレーティングの断面構成図 第１の実施形態におけるグレーティング１ａの断面形状図 第１の実施形態におけるグレーティング１ａでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ 第１の実施形態におけるグレーティング２ａの断面形状図 第１の実施形態におけるグレーティング２ａでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ 第１の実施形態に於ける青色光の光線追跡結果 第１の実施形態に於ける赤色光の光線追跡結果 第１の実施形態に於ける赤外光の光線追跡結果 第２の実施形態におけるグレーティング２ａの断面形状図 第２の実施形態におけるグレーティング２ａでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ 第３の実施形態における対物レンズの断面形状図 第４の実施形態における対物レンズの断面形状図 第５の実施形態における対物レンズの断面形状図 第５の実施形態におけるグレーティング２ａでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ ＢＤの断面構成を模式的に示す図 ＤＶＤの断面構成を模式的に示す図 ＣＤの断面構成を模式的に示す図 第１の従来例に於ける光ディスク装置の断面構成図 第１の従来例におけるグレーティングの断面形状図 第１の従来例におけるグレーティングでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ 第２の従来例に於ける対物レンズの断面構成図 第２の従来例におけるグレーティングの断面形状図 第２の従来例におけるグレーティングでの波長に対する回折効率の関係を示すグラフ
　従来の光ディスク装置において以下の問題があることを本発明者は見出した。
　第１の問題として、ｐ＝３，ｑ＝ｒ＝２の組み合わせは、（式２）に最も近いものの、乖離（すなわち収差）は存在する。（式１）、（式２）の指針に基づいて実際に設計すると、ＮＡ０．５、レンズ材料Ｚｅｏｎｅｘ３５０（ｎd＝１．５０６２０，υd＝５６．３８７７）の条件で、ＤＶＤ，ＣＤの収差を１４及び６ｍλ程度まで低減できるものの、ＢＤ側で７９ｍλの収差が残る（設計案Ａ）。この収差を低減させるために、レンズ基材３の材料を高分散のもの（例えば鐘紡Ｏ－ＰＥＴ等）に変えると、収差は低減できるものの、ＢＤ側での色収差（１ｎｍの波長変動に伴うμｍ単位の焦点位置の変化）が大きくなり、目標値０．３μｍ／ｎｍ以下を維持できなくなる。
　第２の問題として、第１の従来例の場合、ＣＤの回折効率の３４％は低過ぎる値で、残りの６６％が迷光となって光検出器に帰り、制御信号に致命的な影響を与える。第２の従来例の場合、ＣＤの回折効率は８３％まで回復するものの、図１５Ａに示すように、薄膜１の上下で位相（鋸歯のエッジ位置）を揃えてグレーティング１ａ，２ａを形成することは極めて困難である。グレーティングのピッチをΛ、上下のエッジ位置のずれをδとすると、δ／Λ＝０．００がδ／Λ＝０．０２になることで、ＢＤ，ＤＶＤ，ＣＤの回折効率１００％、９８％、８３％がそれぞれ９３％、９４％、８３％に劣化し、劣化の度合いはδ／Λの増大に伴って加速する。この劣化は、グレーティング１ａ、２ａによる回折が２つの回折ではなく、単一の回折であることに起因している。このことを踏まえて、特許文献１では、位置ずれδをピッチの２～３％程度以下に抑える必要があると指摘している。上述の設計案Ａでは、ＮＡの増大とともにグレーティングピッチは小さくなり、ＮＡ０．５の手前で１０μｍを切る。１０μｍの２％に当たる０．０２μｍの位置ずれ精度は、プロセス的に極めて困難であり、第２の従来例を実現する作製法が存在しないのが現状である。
　本発明の実施形態において、光ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズとを備える。前記対物レンズは、前記３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第１グレーティングであって、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する第１グレーティングと、前記３つの光ビームの全てが通過する領域において前記レンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第２グレーティングであって、前記第１グレーティングに対して前記レンズ中心軸の方向に離間し、かつ、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する第２グレーティングとを有する。前記対物レンズは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、実効的に３次、２次、２次の次数で回折する。
　ある実施形態において、前記対物レンズは、第１表面、および前記第１表面とは反対側の第２表面を有するレンズ基材と、前記レンズ基材の前記第１表面を覆う透明層とを含み、前記第１グレーティングは、前記透明層の表面に形成され、前記第２グレーティングは、前記レンズ基材の前記第１表面と前記透明層との境界に形成されている。
　ある実施形態において、前記第１グレーティングにおける前記位相段差の位置は、前記位相段差の位相に等しい位相を有する前記第２グレーティングにおける位相段差の位置に対して、前記レンズ中心軸から離れている。
　ある実施形態において、前記対物レンズは、第１表面、および前記第１表面とは反対側の第２表面を有するレンズ基材と、前記レンズ基材の前記第１表面を覆う透明層とを含み、前記第１グレーティングは、前記レンズ基材の前記第２表面に形成され、前記第２グレーティングは、前記レンズ基材の前記第１表面と前記透明層との境界に形成されている。
　ある実施形態において、前記レンズ基材の屈折率およびアッベ数を、それぞれ、ｎ１およびυ１とし、前記透明層の屈折率およびアッベ数を、それぞれ、ｎ２およびυ２とするとき、ｎ２>ｎ１かつυ２<υ１、または、ｎ２<ｎ１かつυ２>υ１である。
　ある実施形態において、前記対物レンズは、第１表面、および前記第１表面とは反対側の第２表面を有するレンズ基材を含み、前記第１グレーティングは、前記レンズ基材の前記第１表面に形成され、前記第２グレーティングは、前記レンズ基材の前記第２表面に形成されている。
　本実施形態の光ディスク装置は、光ディスクを回転させる駆動部と、上記いずれかの光ピックアップと、前記光ディスクに記録されたデータを前記光ピックアップによって読み出すように前記光ピックアップおよび前記駆動部を制御する制御部とを備える。
　以下、本発明の実施形態をより詳細に説明する。
　まず、本実施形態の光ピックアップを説明する。この光ピックアップは、各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズとを備える。
　上記の対物レンズは、第１グレーティングと、第１グレーティングに対してレンズ中心軸の方向に離間した第２グレーティングとを備えている。第１および第２グレーティングは、それぞれ、３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有している。第１グレーティングは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する。一方、第２グレーティングは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する。この結果、第１グレーティングおよび第２グレーティングを透過した青、赤、赤外の波長を有する光ビームは、それぞれ、３次、２次、２次の次数で回折されることになる。
　本発明の実施形態において、第１グレーティングおよび第２グレーティングは、それぞれが別々に回折作用を働くことができる。このため、ある例では、第１グレーティングによる回折と第２グレーティングによる回折とが干渉しないように十分に離間している。ある実施形態では、第１クレーティングと第２クレーティングとは、入射光の波長よりも十分に長い距離、例えば５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上は離れている。
　なお、ｎを整数とするとき、本明細書において「グレーティングがｎ次の次数で光ビームを回折する」とは、「グレーティングの回折によって生じる複数の次数の回折光のうち、ｎ次の回折光の回折効率が最も高い」ことを意味するものとする。また、「青の波長を有する光ビームを、ｎ次の次数で回折する」とは、ｎ次の回折光の回折効率が最も高くなる波長が青色帯域に少なくともひとつ存在することを意味するものとする。赤及び赤外の波長を有する光ビームの回折についても同様である。
　（第１の実施形態）
　まず、図１を参照しながら、上記の光ピックアップを備える本実施形態の光ディスク装置の構成例を説明する。図１に示す光ディスク装置５００は、パーソナルコンピューター、光ディスクプレーヤー、光ディスクレコーダー等の光学ドライブとして好適に用いられ得る。なお、後述する他の実施形態でも、対物レンズ以外の構成は、本実施形態の構成と同様の構成を有している。このため、他の実施形態については、光ディスク装置の構成については説明を省略する。
　図１は、光ディスク装置５００の構成例を示すブロック図である。光ディスク装置５００は、光ピックアップ５０１と、光ディスク２００を回転させるスピンドルモータ（駆動部）５０３と、光ピックアップ５０１の位置を制御する移送モータ５０２と、これらの動作を制御する制御部５０５と、不揮発性メモリ５０６とを備えている。光ディスク２００として、ＢＤ、ＤＶＤ、またはＣＤが光ディスク装置５００に装填され得る。
　光ディスク装置５００に装填された光ディスク２００から光学的に読み出されたデータは、光ピックアップ５０１の受光素子（図示せず）で電気信号に変換され、制御部５０５に入力される。光ピックアップ５０１は、光ビームを放射する光源（半導体レーザ）と、光ビームを集光して光スポットを光ディスク２００上に形成するための対物レンズ１００と、対物レンズ１００を駆動するアクチュエータなどの公知の構成要素を備えている。
　制御部５０５は、光ピックアップ５０１から得た電気信号に基づいて、フォーカスエラー信号およびトラッキングエラー信号を含むサーボ信号の生成、ならび再生信号の波形等価、２値化スライス、同期データなどのアナログ信号処理を行う。制御部５０５は、システムコントローラなどを含み、ソフトウェアおよびハードウェアの組み合わせによって好適に実現される。
　制御部５０５は、生成されたサーボ信号により、光ピックアップ５０１が光ディスク２００上に形成する光スポットを、回転する光ディスク２００の目標トラックに追従させる。制御部５０５は、光ピックアップ５０１が備える対物レンズ１００のフォーカス制御およびトラッキング制御、光ピックアップ５０１の移送制御、スピンドルモータ制御など一連の制御をデジタルサーボで実現する。すなわち、制御部５０５の働きにより、対物レンズ１００のアクチュエータ（図示せず）の駆動のほか、光ピックアップ５０１を光ディスク２００の内周や外周へ移送させる移送モータ５０２の駆動や、光ディスク２００を回転させるスピンドルモータ５０３の駆動が適切に行われる。なお、制御部５０５は、半導体ＩＣで実現可能である。不揮発性メモリ５０６には、制御部５０５で実行されるソフトウェア及び各種パラメータ等が記憶されている。
　以下、説明する。図２から図６Ｃを参照しながら、本実施形態の光ディスク装置が備える光ピックアップ５０１の構成例を説明する。図２は、第１の実施形態に於ける光ピックアップ５０１の断面構成を示している。簡単のため、図２では、往路側（光源からディスク面に向かう側）のみの構成を記載し、復路側（ディスク面から光検出器に向かう側）の構成を省いている。
　図２に示されるように、青色発光半導体レーザ等の光源６ａを出射する青色の光（波長０．４０５μｍ）はダイクロイックミラープリズム７で反射され、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。ダイクロイックミラープリズム７は、青の波長を有する光を反射し、赤及び赤外の波長を有する光を透過するように構成されている。この例における光学系は、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。
　ダイクロイックミラープリズム７で反射された青色の光ビームは、対物レンズ１００を経て厚さ０．１ｍｍの光透過層５を透過し、情報層５０上に集光する。
　光ディスク装置にＤＶＤまたはＣＤが装填された場合、光源６ｂから赤色の波長を有する光ビームまたは赤外の波長を有する光ビームが出射される。この光源６ｂは、赤色半導体レーザと赤外半導体レーザが１つのパッケージ内に配置されている。赤色と赤外色の２波長を独立して発光する半導体レーザの光源６ｂを出射する赤色の光（波長０．６６０μｍ）、又は赤外の光（波長０．７８５μｍ）は、ダイクロイックミラープリズム７を透過し、コリメートレンズ８を経て平面波４ａに変換される。その後、対物レンズを経て、それぞれに対応する光ディスクの情報層５０に集光される。より具体的には、ＤＶＤが光ディスク装置に装填されているときは、赤色の光ビームが厚さ０．６ｍｍの光透過層を透過して情報層５０に集光される。一方、ＣＤが光ディスク装置に装填されているときは、赤外の光ビームが厚さ１．２ｍｍの光透過層を透過して情報層５０に集光される。この例における光学系も、平面波４ａを対物レンズ１００に入射させるため、「無限系」である。
　本実施形態における対物レンズ１００は、レンズ形状を有するレンズ基材３と、レンズ基材３の上に設けられた積層構造とを有している。この積層構造は、屈折率と分散特性の異なる２種類の透明媒質から形成された層を有している。具体的には、この積層構造は、レンズ基材３の側から第２の積層部（透明層２）、第１の積層部（透明層１）の順に積層して構成され、積層構造の中心軸は対物レンズの中心軸は光軸Ｌに一致する。ただし、透明層１は透明層２よりも屈折率は高く、分散は低い。透明層２とその上に積層された透明層１の界面２ａには、鋸歯状の断面をなすグレーティング２ａが形成され、グレーティング２ａの方位は光軸Ｌを中心軸とする円周に沿っている。透明層１の表面（空気側に面する表面）にも鋸歯状の断面をなすグレーティング１ａが形成され、グレーティング１ａの方位は光軸Ｌを中心軸とする円周に沿っている。
　図２の例では、グレーティング１ａ，２ａの段差側面の法線が外周側に向いている。より詳細には、グレーティング１ａ，２ａの段差側面の高屈折率側から低屈折率側に延びる法線の向き（鋸歯の向き）がレンズ中心から離れる方向に向いている。鋸歯の向きは、設計によっては内側を向く場合もあり、また位置によって、向く方向が入れ替わる場合もある。
　グレーティング１ａの断面は、グレーティング２ａの断面をレンズ中心軸方向に反転させた形状を有している。また、グレーティング２ａの位相段差位置が、それと同位相のグレーティング１ａの位相段差位置よりも径が小さい。
　なお、半径ｒに対する位相関数をφ（ｒ）、定数ａを１．０近傍の値として、グレーティング１ａの位相関数はφ／ａ、グレーティング２ａの位相関数はφ×ａで定義され得る。
　図３は、第１の実施形態に於けるグレーティングの断面構成の例を示している。ある実施例では、レンズ基材３には耐紫外線樹脂のＺｅｏｎｅｘ３５０（屈折率１．５０６６２、アッベ数５６．３８８）、透明層２にはポリカーボネート（屈折率１．５８５、アッベ数２８）を用いることができる。透明層１は、例えばＵＶ硬化樹脂にＺｒO2のナノ粒子を添加して作製され、例えば、その屈折率は１．６２３、アッベ数は４１である。高屈折率のＺｒO2のナノ粒子を混ぜることで、ＵＶ硬化樹脂の低分散性を維持しながら、全体の屈折率を高めることができる。その結果、単一材料では不可能な高屈折率、低分散の組み合わせの透明材料を実現している。ここで、ｄ線の波長での透明層１、２の屈折率をｎ1、ｎ2、分散をσ1、σ2とすると、任意の波長λでの屈折率Ｎ1、Ｎ2はそれぞれ次式に１次近似できる。
（式３）　Ｎ1＝ｎ1－（λ－λd）σ1
（式４）　Ｎ2＝ｎ2－（λ－λd）σ2
ただし、λd＝０．５８７６μｍ（ｄ線の波長）である。従って、グレーティングの深さｄ2で発生する位相差ΔはRａｄｉａｎ単位で次式によって表される。
（式５）　Δ＝２πｄ2（Ｎ1－Ｎ2）／λ
＝２πｄ2（ｎ1－ｎ2）／λ＋２πｄ2（λ－λd）（σ2－σ1）／λ
＝２πｄ2（σ2－σ1）＋２πｄ2｛（ｎ1－ｎ2）－λd（σ2－σ1）｝／λ
　上式に於いて、右辺第１項は一定値を示すのに対し、第２項はλに反比例する。透明層２に対し透明層１の屈折率を高く（ｎ1＞ｎ2）、分散を低く（σ1＜σ2）すると、第２項の分子は小さくでき、Δのλに対する依存性は薄まる。また、透明層２に対し透明層１の屈折率を低く（ｎ1＜ｎ2）、分散を高く（σ1＞σ2）しても、同じ効果がある。特に、次式
（式６）　　　ｎ1－ｎ2＝λd（σ2－σ1）
を満たせば、Δのλに対する依存性は全くなくなる。屈折率１．６２３、アッベ数４１の透明層１とポリカーボネートの透明層２の組み合わせは、ほとんど（式６）を満たしており、グレーティング２ａでの回折は可視光全域で高い回折効率を維持できる。
　透明層１の厚さｔは少なくともグレーティングの深さｄ2よりも深く、波長の数倍（数μｍ）よりも十分大きい（例えば２０μｍ以上）。本実施例では厚さｔを６０μｍとしている。透明層１の厚さが厚いので、グレーティング１ａ、２ａによる回折は別々に独立して起こる。すなわち、入射光４ａはグレーティング１ａにより回折して回折光４ｂとなり、その回折次数は青波長に対して２次、赤、赤外波長に対して１次である。更に、回折光４ｂはグレーティング２ａにより回折して回折光４ｃとなり、その回折次数は、青、赤、赤外波長に対して１次となるように設定されている。
　本実施形態ではグレーティング１ａとグレーティング２ａが別々のグレーティングであり、回折は別々に起こるのに対し、第２の従来例では、１つのグレーティング、一つの回折として作用している。仮に第２の従来例を２つのグレーティング、２つの回折と見なすことができても、各グレーティングでの回折次数の組み合わせは本実施形態とは全く異なる。
　図４Ａは、第１の実施形態におけるグレーティング１ａの断面形状を示す。透明層１の上面に形成された深さｄ1のグレーティング１ａにより、入射光４ａは回折し、回折光４ｂとなる。図４Ｂは、透明層１の深さｄ1を１．２５μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。波長０．４０５μｍの時に、２次回折光の効率が１００％となり、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては、１次回折光の効率がそれぞれ９１％，１００％となる。図５Ａは、第１の実施形態におけるグレーティング２ａの断面形状を示す。透明層１と透明層２の境界に形成された深さｄ2のグレーティング２ａにより、入射光４ｂは回折し、回折光４ｃとなる。図５Ｂは、グレーティングの深さｄ2を１５．５μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。１次回折光の効率は波長０．４０５μｍで９７％、波長０．６６０、０．７８５μｍに対してはそれぞれ９９％，９１％となる。
　従って、グレーティング１ａによる回折のあと、グレーティング２ａによる回折が起こると、波長０．４０５μｍで１００％×９７％＝９７％、波長０．６６０で９１％×９９％＝９０％、波長０．７８５μｍでは１００％×９１％＝９１％となり、いずれの波長でも９０％を超える。これらの回折効率は、グレーティング１ａとグレーティング２ａの回折が独立して起こるため、それらのアライメント精度に関係なく一定であり、第２の従来例に比べ大きなメリットである（ただし、アライメントの誤差は収差になるので、他の屈折面と同様な同軸精度（数μｍ程度）を有し得る）。
　一方、グレーティング１ａ、２ａによる回折は別々に起こるが、２つのグレーティングを回折することで光が受ける位相変化（回折パワー）は、それぞれの回折次数の和に比例する。すなわち、回折次数の総和は青波長が３次、赤、赤外波長が２次となり、従来例と同様に、光透過層厚差で発生する収差を極小化できる条件を満たしている。しかも本実施例では、グレーティング１ａの位相関数が１／ａ倍、グレーティング２ａの位相関数がａ倍に変化しており、言い換えると回折パワーがグレーティング１ａの側で１／ａ倍、グレーティング２ａの側でａ倍に変化している。回折次数は回折パワーに比例するので、グレーティング１ａにおける青、赤、赤外波長での回折パワーをｐ1、ｑ1、ｒ1として、次式が成り立つ。
（式７）　　　ｐ1：ｑ1：ｒ1＝２／ａ：１／ａ：１／ａ
　また、グレーティング２ａにおける青、赤、赤外波長での回折パワーをｐ2、ｑ2、ｒ2として、次式が成り立つ。
（式８）　　　ｐ2：ｑ2：ｒ2＝ａ：ａ：ａ
　従って、これらを合計することで、２つのグレーティングで発生する青、赤、赤外波長での回折パワーｐ、ｑ、ｒが次式で表される。
（式９）　　　ｐ：ｑ：ｒ＝（ｐ1＋ｐ2）：（ｑ1＋ｑ2）：（ｒ1＋ｒ2）＝（２／ａ＋ａ）：（１／ａ＋ａ）：（１／ａ＋ａ）
　例えば、ａ＝１．１５とすると、以下の式が得られる。
（式１０）　　　ｐ：ｑ：ｒ＝２．８９：２．０２：２．０２
　従って、ｐ／ｑ＝１．４３となり、高分散の材料をレンズ基材に用いなくてもｐ／ｑ≒１．５まで到達できる。実際にａ＝１．１５として（式１）、（式２）の指針に基づいて設計すると、ＮＡ０．５の条件で、ＢＤの色収差を０．３μｍ／ｎｍ以下にしたまま、ＢＤ、ＤＶＤ，ＣＤの収差を２８及び１４及び６ｍλ程度まで低減させることができた（設計案Ｂ）。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、このときの光線追跡結果である。
　なお、設計案Ｂでは、図２に示すようにＮＡ０．５の全領域で、グレーティング１ａ，２ａとも外周側に鋸歯が向いていた。この場合、図２に示すようにグレーティング２ａの段差２ｃを光線４ｂの方向と平行になるように加工できるので、段差２ｃによる遮光の影響も少ない。
　この様に、第１の実施形態によれば、単一のレンズでありながら、青、赤、赤外の３つの波長で、何れも９０％を超える高い回折効率を確保でき、かつグレーティングのアライメント誤差を許容できる。また、無限系の構成でありながら、３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差や色収差を極小化できる。さらに、光路長の長いレンズ基材部３に耐紫外線樹脂を用いているので、高出力の青色波長の光にも対応でき、記録型光ディスク装置に使用できる。
　なお、上述の説明では、グレーティング１ａ、２ａの位相関数に一律の係数値１／ａ、ａを掛けたが、それぞれの位相関数を独立して設定することもでき、この場合、設計の自由度が大幅に増えるので、収差をより小さくできる。さらに、透明層２にポリカーボネート、透明層１にＵＶ硬化樹脂とＺｒＯ２のナノ粒子の混合材料を用いたが、透明層２よりも透明層１の屈折率が高く、分散が低ければ、他の材料の組み合わせを用いても良い。
　また、上述の実施形態は、対物レンズの３つの波長が実効的に通過する領域（すなわちＮＡ０．５またはＮＡ０．４５の内側）に対するものである。それ以外の領域（ＮＡ０．５またはＮＡ０．４５の外側）は、２つの波長（青と赤）、または単一の波長（青）しか実効的に通過しない領域であり、効率と収差の問題は従来の技術の組み合わせで容易に解決できるので、言及していない。
（第２の実施形態）
　以下、図７Ａおよび図７Ｂを参照しながら本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態における光ピックアップは、第１の実施形態における光ピックアップに対して、対物レンズ１００の透明層２よりも透明層１の屈折率が高く、分散が低いという条件が立っていない点で異なる。それ以外は、第１の実施形態における光ピックアップの構成と同じ構成を有している。
　本実施形態では、透明層２にレンズ基材３と同じ材料を用いる。すなわち、透明層１の屈折率は１．６２３、アッベ数は４１、透明層２とレンズ基材３の屈折率は屈折率１．５０６６２、アッベ数は５６．３８８となる。本実施形態では、透明層２よりも透明層１の屈折率は高いが、分散も高くなっている。
　本実施形態の場合、グレーティング１ａでの回折効率は、図４Ｂに示す回折効率と同じである。したがって、透明層１の深さｄ1を１．２５μｍとした場合、波長０．４０５μｍの時に、２次回折光の効率が１００％となり、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては、１次回折光の効率がそれぞれ９１％，１００％となる。
　これに対し、グレーティング２ａでの回折効率は大きく違ってくる。図７Ａは、本実施形態におけるグレーティング２ａの断面形状を示す。透明層１と透明層２の境界に形成された深さｄ2のグレーティング２ａにより、入射光４ｂは回折し、回折光４ｃとなる。図７Ｂは、グレーティングの深さｄ2を４．５μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。１次回折光の効率は波長０．４０５μｍで５６％、波長０．６６０、０．７８５μｍに対してはそれぞれ８５％，６５％となる。
　従って、グレーティング１ａによる回折のあと、グレーティング２ａによる回折が起こると、波長０．４０５μｍで１００％×５６％＝５６％、波長０．６６０で９１％×８５％＝７７％、波長０．７８５μｍでは１００％×６５％＝６５％となり、いずれの波長でも５０％を超える。効率の点で第１の実施形態に比べれば、かなり見劣りするが、構成が簡単である。３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差や色収差を極小化できる効果等、それ以外の効果は第１の実施形態と同じであり、再生専用に限定すれば、安価で安定した光ディスク装置を提供できる。
（第３の実施形態）
　以下、図８を参照しながら本発明の第３の実施形態を説明する。図８は第３の実施形態における対物レンズ１００の断面形状を示す。本実施形態の対物レンズ１００は、第１の実施形態に於ける対物レンズ１００のレンズ基材３を、第１の実施形態における透明材料２と同一の材料から形成した構成を有している。言い換えれば、グレーティング２ａをそのままにして透明材料２を取り除いた構成ともいえる。本実施形態では、対物レンズ１００が屈折率と分散特性の異なる２種類の透明媒質から構成されているので、第１の実施形態の対物レンズ１００より、簡単で安価な構成といえる。また、第１の実施形態と同様の効果を期待できる。ただし、レンズ基材３にポリカーボネートを用いる場合、その耐紫外線能力は第１の実施形態のレンズ基材３に劣るので、ＢＤに関しては再生専用に限定される可能性がある。
（第４の実施形態）
　以下、図９を参照しながら本発明の第４の実施形態を説明する。図９は第本実施形態における対物レンズ１００の断面形状を示す。本実施形態の対物レンズ１００は、グレーティング２ａの形成位置が異なる点以外は、第３の実施形態の対物レンズ１００と同じ構成を有している。図９の構成を図８の構成と比較すると、第３の実施形態における透明層１は、本実施形態のレンズ基材３に対応する。一方、第３の実施形態レンズ基材３は、本実施形態ではレンズ基材３の反対面に形成された透明層２に対応する。
　従って、レンズ基材３（透明層１の置き換え）が透明層２よりも屈折率は高く、分散は低いという条件は維持される。グレーティング１ａは、レンズ基材３の一方の表面に形成され、グレーティング２ａはレンズ基材３の他方の表面に形成されている。このように、レンズ基材３に対する２つのグレーティングの位置は変わったが、２つのグレーティングによる作用効果は、第３の実施形態における２つのグレーティングの作用効果と同様である。
（第５の実施形態）
　以下、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照しながら本発明の第５の実施形態を説明する。本実施形態の対物レンズ１００は、透明層２が省略された点で、第４の実施形態における対物レンズ１００異なる構成を有している。
　図１０Ａは、本実施形態における対物レンズ１００の断面形状を示す。レンズ表面のグレーティング１ａにより、入射光４ａは回折し、回折光４ｂとなる。レンズ裏面のグレーティング２ａにより、回折光４ｂは回折し、回折光４ｃとなる。本実施形態の場合、第４の実施形態と違い、透明層２に相当する部分が空気になるので、レンズ基材３が透明層２よりも屈折率は高く、分散は低いという条件が成り立たない。レンズ基材３の屈折率を１．６２３、アッベ数を４１とすると、グレーティング１ａでの回折効率は図４Ｂと同じであり、透明層１の深さｄ1を１．２５μｍとした場合、波長０．４０５μｍの時に、２次回折光の効率が１００％となり、波長０．６６０、０．７８５μｍに対しては、１次回折光の効率がそれぞれ９１％，１００％となる。これに対し、グレーティング２ａでの回折効率は大きく違ってくる。
　図１０Ｂは、グレーティングの深さｄ2を０．８μｍとした場合の、波長に対する回折効率の関係を示す。１次回折光の効率は波長０．４０５μｍで７６％、波長０．６６０、０．７８５μｍに対してはそれぞれ８１％，６１％となる。
　従って、グレーティング１ａによる回折のあと、グレーティング２ａによる回折が起こると、波長０．４０５μｍで１００％×７６％＝７６％、波長０．６６０で９１％×８１％＝７４％、波長０．７８５μｍでは１００％×６１％＝６１％となり、いずれの波長でも６０％を超える。効率の点で第１の実施形態に比べればかなり見劣りするが、構成が簡単である。３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差や色収差を極小化できる効果等、それ以外の効果は第１の実施形態と同じであり、再生専用に限定すれば、安価で安定した光ディスク装置を提供できる。
　なお、レンズ基材３にＺｅｏｎｅｘ３５０（ｎd＝１．５０６２０，υd＝５６．３８７７）を用いれば、耐紫外線能力が保証されるうえ、分散が小さいためグレーティング２ａでの回折効率は微増し、全体の回折効率もやや改善する。
　なお、本発明による光ディスク装置は、図１に示す構成を有する装置に限定されず、本開示の実施形態の光ピックアップを備えて動作し得る光ディスク装置であれば、他の構成を有していてもよい。
　本開示の光ピックアップにおける対物レンズは、単一のレンズでありながら、青、赤、赤外の３つの波長で、高い回折効率を確保できる。また、第１および第２グレーティングのアライメント誤差を許容できるので、対物レンズの作製が容易である。また、レンズへの光入射を無限系に構成しても、３つの異なったディスク光透過層厚で発生する収差や色収差を極小化できる。このため、これまで２個以上の対物レンズが必要だった光ディスク装置を大幅に簡素化でき、レコーダーやパソコン用光ドライブ用の光ディスク装置として有用である。
　１，２　　透明層
　１ａ，２ａ　グレーティング
　３　　　レンズ基材
　４ａ　　平面入射光
　４ｂ、４ｃ　　回折光
　５　　光透過層
　６ａ　　青色光源
　６ｂ　　赤、赤外の光源
　７　　ダイクロイックミラープリズム
　８　　コリメートレンズ
　Ｌ　　光軸
　５０　情報層
１００　対物レンズ
２００　光ディスク
５００　光ディスク装置
５０１　光ピックアップ
５０２　移送モータ
５０３　スピンドルモータ
５０５　制御部
５０６　不揮発性メモリ

Claims (7)

  1. 　各々が青、赤、および赤外の波長を有する３つの光ビームを選択的に出射する少なくとも１つの光源と、
    　前記３つの光ビームの各々が入射するように配置された対物レンズと、
    を備え、
    　前記対物レンズは、
    　前記３つの光ビームの全てが通過する領域においてレンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第１グレーティングであって、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、２次、１次、１次の次数で回折する第１グレーティングと、
    　前記３つの光ビームの全てが通過する領域において前記レンズ中心軸の周りに同心円状に配置された位相段差を有する第２グレーティングであって、前記第１グレーティングに対して前記レンズ中心軸の方向に離間し、かつ、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、１次、１次、１次の次数で回折する第２グレーティングと、
    を有し、
    　前記対物レンズは、青、赤、赤外の波長を有する光ビームを、それぞれ、３次、２次、２次の次数で回折する、光ピックアップ。
  2. 　前記対物レンズは、
    　第１表面、および前記第１表面とは反対側の第２表面を有するレンズ基材と、
    　前記レンズ基材の前記第１表面を覆う透明層と、
    を含み、
    　前記第１グレーティングは、前記透明層の表面に形成され、
    　前記第２グレーティングは、前記レンズ基材の前記第１表面と前記透明層との境界に形成されている、請求項１に記載の光ピックアップ。
  3. 　前記第１グレーティングにおける前記位相段差の位置は、前記位相段差の位相に等しい位相を有する前記第２グレーティングにおける位相段差の位置に対して、前記レンズ中心軸から離れている請求項２に記載の光ピックアップ。
  4. 　前記対物レンズは、
    　第１表面、および前記第１表面とは反対側の第２表面を有するレンズ基材と、
    　前記レンズ基材の前記第１表面を覆う透明層と、
    を含み、
    　前記第１グレーティングは、前記レンズ基材の前記第２表面に形成され、
    　前記第２グレーティングは、前記レンズ基材の前記第１表面と前記透明層との境界に形成されている、請求項１に記載の光ピックアップ。
  5. 　前記レンズ基材の屈折率およびアッベ数を、それぞれ、ｎ１およびυ１とし、
    　前記透明層の屈折率およびアッベ数を、それぞれ、ｎ２およびυ２とするとき、
    　ｎ２>ｎ１かつυ２<υ１、または、
    　ｎ２<ｎ１かつυ２>υ１である請求項１から４のいずれかに記載の光ピックアップ。
  6. 　前記対物レンズは、第１表面、および前記第１表面とは反対側の第２表面を有するレンズ基材を含み、
    　前記第１グレーティングは、前記レンズ基材の前記第１表面に形成され、
    　前記第２グレーティングは、前記レンズ基材の前記第２表面に形成されている、請求項１に記載の光ピックアップ。
  7. 　光ディスクを回転させる駆動部と、
    　請求項１から５のいずれかに記載された光ピックアップと、
    　前記光ディスクに記録されたデータを前記光ピックアップによって読み出すように前記光ピックアップおよび前記駆動部を制御する制御部と、
    を備える光ディスク装置。
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JP2004253106A (ja) * 2002-12-26 2004-09-09 Konica Minolta Holdings Inc 対物光学素子及び光ピックアップ装置
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